磁場輔助絲材增材制造In625高溫合金的組織和性能的影響
江蘇激光聯盟導讀：
采用磁場輔助進行絲材增材制造In625高溫合金來研究磁場對顯微組織和性能的影響，討論了磁場對顯微組織影響的機制，應用磁場可以提高絲材增材制造的625合金的機械性能。
成果簡介
由于絲材進行增材制造具有沉積效率高，成本低和制造具有柔性化等優點而在進行制造In 625高溫合金的場合得到廣泛的應用。然而，較高的熱輸入和嚴重的元素偏析在增材制造過程中的發生，降低了成形In625合金的質量和降低了其服役性能。在這里，采用磁場輔助施加到冷金屬過渡的絲材增材制造In625的過程中來改變其顯微組織。磁場在CMT-WAAM（冷金屬過渡-絲材增材制造）中對顯微組織和機械性能的影響進行了研究。結果表明：磁場的攪拌作用在沉積過程中起到細化晶粒的作用；磁場造成的對流促進了元素，如Nb和Mo在熔池中的擴散，由此抑制了元素的偏析。采用磁場輔助沉積In625合金后的機械性能表明，顯微硬度增加，屈服強度增加了約13%，極限拉伸強度和韌性均增加。基于以上工作，非常明顯，施加磁場在CMT-WAAM工藝中，細化了枝晶，抑制了元素偏析，有效的提高了沉積后的IN625合金的性能。
圖1. 磁場輔助進行WAAM的實物圖
背景
絲材電弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)）綜合了弧焊和快速成形技術的優點，基于分層原理和離散疊加，具有快速制造和柔性制造以及低成本制造的優點。該制造工藝克服了傳統制造技術的缺點和廣泛的應用在許多重要的工業場合，如航空航天，生物醫療和汽車等行業中。In625高溫合金是一種鎳基超級合金，具有優異的機械性能，包含Cr, Mo, Nb 和其他金屬元素。該合金具有優異的機械加工性能，耐腐蝕性能和抗氧化性能，廣泛的應用在石油化工，航空工業中。
圖2. WAAM沉積工藝的示意圖
材料的性能顯著的受到其顯微組織的影響。材料的顯微組織可以通過如下方式進行改性：改變制造工藝；改變工藝參數等。例如，在高溫合金材料中，如鎳基高溫合金，采用真空制造可以顯著的改變其顯微組織，從而進一步的影響到其機械性能。Zaitsev等人研究了Ni41Al41Cr12Co6 金屬間化合物采用真空感應重熔的工藝，其高溫蠕變性能和熱穩定性均得到了提高。其提高原因是真空感應重熔造成了枝晶的晶粒尺寸變小，夾雜物和析出相的變小。Gupta等人采用真空熔化的工藝來合成鎳基固溶強化的高溫合金，其成分為常規的15Cr-15Mo（余量為Ni）。結果發現晶粒尺寸的減少和顆粒的溶解，提高了合金的機械性能和強度。Ni-Fe為基礎的高溫合金(43Ni-14Cr, wt%)采用真空感應爐熔煉和通過真空電弧精煉進行細化。對其材料的顯微組織和機械性能進行了研究，結果發現合金的強度提高，其原因是晶粒細化和形成的析出相(bct γ′ Ni3Nb 和fcc γ″ Ni3Ti 析出相)的存在。Moshtaghi等人研究了在真空感應熔化 Ni-Fe-Cr合金中保溫時間對顯微組織和機械性能的影響。他們的研究結果結果表明可以增加合金的延伸率，這是因為在保溫時合金的夾雜物的數量減少了。
圖3. 采用WAAM進行沉積時施加磁場和不施加磁場的樣品
大多數鎳基高溫合金部件均具有復雜的結構和非常高的制造成本。WAAM制造技術可以以較低的成本來制造具有復雜結構的部件，由此In625高溫合金可以通過WAAM技術來進行制造。然而，由于具有較高的熱輸入和復雜的熱傳遞和質量傳遞，采用WAAM技術進行IN625的制造經常會導致產品質量的下降，如存在裂紋或者粗糙度差。同時In625合金中的大量的合金元素，如 Nb, Cr, Mo可以通過凝固過程中的固溶強化來提高其性能，這些元素同時增加了在凝固過程中的固態-液態兩相的溫度范圍。溫度的增加惡化了富集元素的程度，如Nb和Mo元素，導致形成不利的相如(Ni,Fe)2(Nb, Mo, Cr, Ti)，這會嚴重的影響合金的性能。因此，提高WAAM工藝的關鍵在于克服以上提到的問題，從而才可以制造出更好性能的In625合金來。
▲圖4. WAAM工藝沉積In625合金的橫截面的照片：(a) 沒有施加磁場的時候, (b)施加磁場時的外部輪廓曲線 , (c) 施加磁場 和 (d) 施加磁場時的樣品的外部輪廓曲線
在近年來，磁場攪拌技術被用來作為一種輔助的辦法來提高合金的性能。該技術不僅可以影響到熔池的形狀和細化晶粒，同時還會改變合金凝固時的質量傳遞，改變元素的分布和顯微組織，進而提高合金的性能。Vdovin等人研究了脈沖磁場強度變化的條件下，鑄造鋁合金 A356.0和 A413.1時顯微組織和機械性能的變化。結果發現磁場導致了合金中形成細小的晶粒，從而提高了合金的硬度到8-10%。磁場同時還影響到合金的極限抗拉強度，但幾乎不改變其韌性。Guan等人采用GMAW工藝在磁場的輔助下進行了鋁合金的制備。結果發現飛濺減少了1.8%，顯微組織得到了明顯的細化，屈服強度提高了至少 31.5MPa，這是因為弧形被壓縮，弧的溫度梯度和過冷程度得到最佳，此時的的條件為磁場頻率為超過60Hz。Liu等人在焊接的時候施加外部磁場。結果發現焊接和熔滴由于洛倫磁力的作用而旋轉，從而均勻了熱分布和改變了金屬熔體在焊接過程中的流動。此外，外部的磁場力抑制了Fe的擴散和脆性相的生成，導致具有較高的屈服強度。這些研究均聚焦在磁場對單一層焊接和連接接頭的影響上。很少有研究是關于WAAM的。ZHou等人提出了一種新的弧焊為基礎的增材制造技術，輔助以縱向的磁場。他們發現外部的縱向磁場誘導了切向方向的熔池的攪拌和驅動熔體金屬向熔池邊緣移動，從而減少了成形區域的溫度梯度。此外，發現切向的攪拌力可以減少單一沉積層的高度和增加單一沉積層的寬度，提高以弧焊為基礎的增材制造的表面精度。
▲圖5. WAAM沉積In625合金時的顯微組織：(a) 沒有施加磁場; (b) 施加磁場；(c) 沒有施加磁場; (d) 施加磁場
在當前的研究中，In625合金采用WAAM在施加外部恒定磁場的條件下進行了制造。這一工作的獨特之處在于磁場在合金定向凝固的過程中施加（即在WAAM制造的工藝過程中）。磁場攪拌提高WAAM制造的In625合金的顯微組織和機械性能的可行性也給予了展示。
圖6. 在施加外部磁場和不施加外部磁場的時候，采用WAAM制造In625合金的顯微組織在中心線上分布的情況
圖7. 施加磁場與否對WAAM制造In625合金的室溫應力-應變曲線的影響
主要結論
采用磁場輔助進行WAAM制造In625合金，對磁場對WAAM制造In625合金時的顯微組織和機械性能進行了研究，并同沒有采用磁場時的結果進行了對比。如下為主要結論：
(1) 施加外部磁場可以顯著的減少枝晶的尺寸，同沒有施加磁場相比較，減少了大約1/3；
(2) 磁場造成的對流降低了強化元素如Nb和Mo等元素在枝晶間的偏析，由此增加了沉積In625合金時的機械性能。
(3) 在磁場輔助條件下沉積的In625合金的顯微硬度和室溫屈服強度高于沒有采用磁場輔助的沉積合金。磁場輔助沉積的In625合金機械性能的提高歸因于顯微組織的變化：主要有：枝晶的細化；枝晶方向的均一性和合金化元素偏析的抑制。
(4) WAAM沉積In625合金時的顯微組織和機械性能同傳統的金屬活性氣體焊接（ Metal Active Gas (MAG) ）顯著不同，這是因為特定的金屬過渡特征所造成。
圖8. WAAM 制造工藝中的影響因數及其工藝控制圖
文章來源：Effect of magnetic Field on the microstructure and mechanical properties of inconel 625 superalloy fabricated by wire arc additive manufacturing，Journal of Manufacturing Processes，Volume 64, April 2021, Pages 10-19，https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.01.008
參考資料：A review of the wire arc additive manufacturing of metals: properties, defects and quality improvement，Journal of Manufacturing Processes，Volume 35, October 2018, Pages 127-139，https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.08.001
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