林筱鵬，羅金山，顧小燕，王金鳳，韓玉君

(1.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.重慶長(zhǎng)安工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司工藝研究所，重慶 401120；3.湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；4.浙江省水利水電裝備表面工程技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020；5.南京工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 前 言

Inconel 625是一種鎳基高溫合金，其強(qiáng)度主要來自于鎳鉻基體中難熔金屬鈮和鉬的固溶強(qiáng)化效應(yīng)[1,2]。該合金具有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的抗熱腐蝕性能，且疲勞性能、耐磨性能及焊接性能等性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、船舶和其他高溫和腐蝕環(huán)境部件中[3,4]。大多數(shù)Inconel 625構(gòu)件的形狀復(fù)雜，需要進(jìn)行大量的機(jī)械加工處理，因此采用傳統(tǒng)加工方法的生產(chǎn)成本昂貴[5]。電弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一種以電弧為熱源熔絲，逐層堆積的快速成形技術(shù)，由部件的三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，通過材料的沉積完成，不需要任何工具和模具的幫助，是一種制造高質(zhì)量金屬零件的經(jīng)濟(jì)快速的成形方法[6-9]。

根據(jù)熱源的不同，典型的WAAM技術(shù)有脈沖等離子弧沉積(PPAD)、鎢極惰性氣體保護(hù)焊(GTAW)和熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)[10]。目前許多研究都集中在使用PPAD和GTAW作為熱源的Inconel 625合金WAAM上。Xu等[11]研究了脈沖等離子弧沉積Inconel 625合金的層間冷卻策略(ICS)和連續(xù)沉積策略(CDS)對(duì)其組織和力學(xué)性能的影響。相比CDS，ICS樣品表面質(zhì)量和力學(xué)性能均有所改善。Wang等[12,13]采用GTAW工藝制造了Inconel 625，并研究了其組織和力學(xué)性能沿構(gòu)建高度的變化，結(jié)果表明初枝晶臂間距隨著沉積高度的增加而增加，偏析行為不斷增強(qiáng)，力學(xué)性能也有相似的變化。Dinda等[14]利用激光直接沉積技術(shù)(LDM)制備了 Inconel 625 合金樣品，并分析了增材過程中微觀組織演變，發(fā)現(xiàn) LDM 制備的Inconel 625樣品下部組織主要由柱狀晶組成，上部組織含有較多的二次枝晶，認(rèn)為這主要是由各個(gè)位置冷卻速率不同導(dǎo)致的。

冷金屬過渡(Cold Metal Transfer,CMT)技術(shù)是在熔化極氣體保護(hù)焊基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種通過對(duì)焊絲(電極)精密控制進(jìn)行液態(tài)金屬過渡的技術(shù)。與其他WAAM技術(shù)相比，通過冷金屬過渡進(jìn)行增材制造(CMT-WAAM)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要有：能量密度高，表面成形優(yōu)良，無飛濺現(xiàn)象，焊接相關(guān)缺陷較少?？紤]到其突出的優(yōu)點(diǎn)，CMT-WAAM在大型零件生產(chǎn)方面有廣闊的應(yīng)用前景[15]。雖然Inconel 625合金增材制造取得了很大進(jìn)步，但大多數(shù)研究集中在激光和電子束增材上面，對(duì)Inconel 625合金的電弧增材特別是CMT增材技術(shù)的研究相對(duì)較少。本研究基于CMT-WAAM增材鎳基Inconel 625合金，對(duì)沉積塊體的微觀組織、力學(xué)性能和耐蝕性能進(jìn)行了研究，以期為鎳基Inconel 625合金大型復(fù)雜零件的高效高質(zhì)成形提供了一種簡(jiǎn)單可行的方法。

1 試 驗(yàn)

1.1 CMT - WAAM過程

增材試驗(yàn)系統(tǒng)包括CMT-5000i 焊機(jī)、ABB機(jī)器人、水冷卻系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)和保護(hù)氣系統(tǒng)組成。焊絲為直徑1.2 mm的ERNiCrMo-3，其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)如下：C 0.006，Si 0.150，Mn 0.150，P 0.001，S 0.001，Cr 22.040，Ni 64.900，Mo 8.750，Nb+Ta 3.490。力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度 750 MPa，屈服強(qiáng)度 350 MPa，延伸率30%。采用316L不銹鋼作為基體金屬，尺寸為400 mm×250 mm×100 mm。試驗(yàn)開始前，對(duì)基體表面進(jìn)行打磨直至露出金屬光澤，并用乙醇和丙酮進(jìn)行表面清洗。采用恒定流速為25 L/min的氬氣作為保護(hù)氣體(99.9%氬)，焊接速度3.5 mm/s，送絲速度 6.5 m/min，干伸長(zhǎng) 13 mm，焊槍傾角90°，氣體流量 25 L/min。

本次試驗(yàn)采用往復(fù)堆疊方式進(jìn)行Inconel 625合金塊體試樣的CMT-WAAM增材制造，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示，采用優(yōu)化后的焊接參數(shù)，以50%搭接率進(jìn)行堆疊，單層厚度約為3.6 mm，單道寬度約為9.3 mm，逐層沉積出140 mm×75 mm×40 mm的塊體。增材過程中，連續(xù)的液態(tài)金屬沉積會(huì)導(dǎo)致大量熱量聚積在堆疊層中，影響塊體的綜合性能。為了避免這一問題，采用了層間冷卻策略來保證樣品的質(zhì)量。利用紅外線測(cè)溫儀對(duì)沉積層進(jìn)行測(cè)溫，將層間溫度控制在100 ℃左右，再進(jìn)行下一道的堆疊。需要注意的是，在開始下一道堆疊層沉積前，應(yīng)仔細(xì)打磨上一道熔覆層來去除表面的飛濺、煙塵，從而提高堆疊層間冶金結(jié)合強(qiáng)度，降低裂紋以及空隙率，改善增材制造塊體的力學(xué)性能。制備好的試樣根據(jù)后續(xù)的測(cè)試需要切割成合適的尺寸，然后研磨、拋光備測(cè)。

1.2 測(cè)試分析

金相試樣研磨拋光后，用王水(HCl、HNO3體積比為3∶1)蝕刻30 s觀察金相。隨后，通過光學(xué)顯微鏡(HAL1000)、掃描電子顯微鏡(JSM-6480)、X射線衍射儀(XRD-6000)對(duì)其宏觀形貌和微觀結(jié)構(gòu)以及物相進(jìn)行表征。透射樣品通過機(jī)械減薄和電解雙噴獲得。利用Everonese MH5顯微硬度計(jì)測(cè)試增材塊體各部位的顯微硬度，載荷5 N，保壓時(shí)間10 s。焊接接頭的拉伸試驗(yàn)按GB/T 228.1-2010設(shè)計(jì)和進(jìn)行，不同方向拉伸件取樣及拉伸試樣尺寸如圖2所示。采用AUTOLAB電化學(xué)工作站進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，采用三電極體系，測(cè)試樣為工作電極，鉑片為對(duì)電極，電解液為3.5%NaCl去離子水溶液，極化曲線測(cè)試掃描電位-0.5～1.0 V，掃描速率為5 mV/s，腐蝕時(shí)間約為30 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖3為CMT-WAAM Inconel 625合金的截面宏觀形貌及微觀組織，圖3a為側(cè)面宏觀形貌，圖3b為堆疊層的微觀組織，圖3c，3d，3e，3f分別為堆疊層上部區(qū)域、中上部區(qū)域、中部區(qū)域和底部區(qū)域的微觀組織形貌。截面圖中一條條由堆積層組成的層帶狀紋理清晰可見，這與其他增材制造方法所制備試樣的微觀形貌相似。WAAM 過程近似一個(gè)微區(qū)鑄造過程，熔融金屬在凝固過程中，成分過冷對(duì)晶粒的形核、長(zhǎng)大有很大影響。該結(jié)構(gòu)在截面上表現(xiàn)出外延生長(zhǎng)特征。在層與層之間有明顯的白亮色層帶組織，其主要分布在上一個(gè)堆疊層熔池的頂部區(qū)域、后一個(gè)堆疊層熔池的底部區(qū)域，該區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)如圖3a所示。將該區(qū)域局部放大可以看出，底部有胞狀晶體、短柱狀晶體和沿沉積高度方向生長(zhǎng)、呈貫穿式的粗大原始枝晶。底部沿著沉積方向貫穿不同的堆疊層外延生長(zhǎng)的柱狀晶的寬度為20～500 μm，由于較大的過冷度會(huì)促進(jìn)合金在固液界面以樹枝晶的形式向熔池內(nèi)延生生長(zhǎng)，從而形成粗大的柱狀晶。由于下一道堆疊層均對(duì)上一道堆疊層有熱處理作用，上一層未熔化的柱狀晶將在新堆疊層的加熱作用下沿著原來的生長(zhǎng)方向繼續(xù)生長(zhǎng)，進(jìn)而在整個(gè)試樣中形成貫穿多個(gè)堆疊層沿外延生長(zhǎng)的柱狀晶組織。外延生長(zhǎng)的柱狀晶粒內(nèi)部的組織主要以柱狀枝晶結(jié)構(gòu)為主，枝晶生長(zhǎng)方向與沉積方向之間存在一定的夾角，如圖4所示。中部有明顯的二次生長(zhǎng)枝晶。在上部區(qū)域，每一個(gè)堆疊層的熔池頂部均會(huì)發(fā)生CET (Columnar to Equiaxed Transition)轉(zhuǎn)變形成等軸晶層，頂部的微觀組織相對(duì)細(xì)小，主要由胞狀晶和平面晶組成，初生枝晶相對(duì)分散，二次生長(zhǎng)枝晶填充部分枝晶間區(qū)域，三次生長(zhǎng)枝晶開始形成。形成這種組織的原因是在這個(gè)區(qū)域，溫度梯度相對(duì)較大且凝固速度緩慢，其凝固條件滿足胞狀晶和平面晶的生成條件。

研究表明，Inconel 625合金凝固末期枝晶間形成的主要有γ Ni固溶體、Laves(Ni,Fe,Cr)2(Nb,Ti,Mo)和MxC相，如(Mo,Nb)C，(Mo,Nb)6C，(Mo,Cr)23C6等[16,17]。TEM成像(圖5、圖6)則進(jìn)一步證實(shí)了枝晶間析出區(qū)存在Laves相和MC增強(qiáng)相。Laves相是一種脆性有害的金屬間化合物。Nb和Mo元素在不平衡凝固過程中會(huì)產(chǎn)生偏析現(xiàn)象，使得枝晶間極易析出形成Laves 相，降低了γ-Ni固溶體中合金元素的含量。合金元素的減少會(huì)導(dǎo)致基體在高溫時(shí)易軟化，抗蠕變能力降低以及疲勞壽命縮短[18]。

除此之外，組織中析出的亞微米級(jí)碳化物，用掃描電鏡無法檢測(cè)到，需要通過透射電鏡進(jìn)一步觀察，如圖6所示，為在枝晶間或晶界處析出的MC顆粒。

這些MC顆粒尺寸在200～700 nm之間，它們的存在有利于提高基體的強(qiáng)度性能，這主要是由于MC顆粒作為第二相質(zhì)點(diǎn)，與基體保持良好的共格關(guān)系，對(duì)晶界的滑移起到抑制作用。

2.2 力學(xué)性能

圖7為增材塊狀試樣橫截面和縱截面的顯微硬度。從圖中能夠看到試樣橫截面的顯微硬度波動(dòng)較小，在 259.31～284.52 HV5 N范圍內(nèi)波動(dòng)，平均顯微硬度為 268 HV5 N；縱截面的顯微硬度波動(dòng)相對(duì)較大，在268.72～297.12 HV5 N范圍內(nèi)波動(dòng)，平均顯微硬度為 282 HV5 N。受循環(huán)熱作用的影響，焊縫搭接區(qū)從上到下可分為重熔區(qū)、半熔化區(qū)、完全重結(jié)晶區(qū)以及不完全重結(jié)晶區(qū)，試樣顯微硬度稍有波動(dòng)，其中重熔區(qū)的顯微硬度最高，約為279～298 HV5 N，不完全結(jié)晶區(qū)最低，約為260 HV5 N左右。這是由于塊體試樣組織為枝晶，且枝晶生長(zhǎng)呈各向異性，因此在不同方向上的變形抗力不同導(dǎo)致顯微硬度有所不同。

采用CMT-WAAM工藝制備的Inconel 625合金塊體試樣在室溫下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示。x方向的試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到740 MPa，屈服強(qiáng)度為460 MPa，延伸率為39.8%；y方向的試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到750 MPa，屈服強(qiáng)度為550 MPa，延伸率為34.3%；z方向的試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到690 MPa，屈服強(qiáng)度為480 MPa，延伸率為37.5%。結(jié)果表明，試樣平行于掃描路徑方向的抗拉強(qiáng)度略低于平行于堆疊方向的抗拉強(qiáng)度；延伸率優(yōu)于平行于堆疊方向的延伸率。這種力學(xué)性能的各向異性可以歸因于微觀組織的變化。如圖2所示，垂直試樣的微觀組織主要為沿堆疊方向延伸的粗大枝晶。與垂直試樣相比，水平試樣在加載方向上有更多的枝晶邊界或枝晶間區(qū)域，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，使材料的強(qiáng)度和塑性得到提升。另一方面，垂直試樣的層間交界處易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中進(jìn)而影響縱向拉伸的性能[18]。

圖9為不同方向上鎳基合金試樣拉伸斷口掃描圖像，均呈現(xiàn)大小相間的韌窩，為典型的韌性斷裂。斷口形貌放大后顯示，韌窩中有大量顆粒狀物存在。通過能譜分析，確定這些顆粒為L(zhǎng)aves相和少量MC。

Laves相的存在不僅降低了Inconel 625合金的塑韌性、抗疲勞和蠕變斷裂性能，同時(shí)Laves相還占據(jù)了基體中部分合金元素，導(dǎo)致強(qiáng)化相的析出減少，為脆性裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展提供了便利條件。

2.3 耐腐蝕性能

Inconel 625還廣泛應(yīng)用于船舶海底管道領(lǐng)域，因此對(duì)其耐蝕性能的研究具有重要意義。CMT-WAAM制備的 Inconel 625 合金各個(gè)成形平面在 3.5%NaCl 溶液中進(jìn)行動(dòng)電位極化測(cè)試，得到的極化曲線如圖10所示。從圖中提取3個(gè)主要的電化學(xué)參數(shù)：腐蝕電位、擊穿電位以及腐蝕電流密度，如表1所示。

表1 Inconel 625鎳基高溫合金腐蝕電化學(xué)參數(shù)Table 1 Corrosion electrochemical parameters of Inconel 625 superalloy

從極化曲線和腐蝕電化學(xué)參數(shù)能夠得出，z方向區(qū)域樣品的腐蝕電位值為-0.30 V。與z方向相比，y方向區(qū)域表現(xiàn)出較大的腐蝕電位，為-0.29 V。而對(duì)于x方向區(qū)域的腐蝕電位值為-0.27 V。腐蝕電位越靠近正位，代表越難發(fā)生腐蝕，根據(jù)表中的腐蝕值，說明了z方向相比于x方向、y方向，更容易發(fā)生腐蝕。腐蝕電流密度用來反映鈍態(tài)金屬的腐蝕速率，數(shù)值越小越不容易發(fā)生腐蝕，能得出y方向的腐蝕電流密度相比于其他方向最小，為4.65×10-7A/cm2，而x方向的值為8.17×10-7A/cm2，z方向?yàn)?.68×10-7A/cm2。根據(jù)以上電化學(xué)參數(shù)，3種不同方向的試樣中，y方向的試樣綜合耐腐蝕性能最好，z方向試樣較其他方向耐腐蝕性能較差。

3 結(jié) 論

(1)增材塊體截面圖中可見由堆積層組成的層帶，整體顯微組織呈外延生長(zhǎng)特征。堆疊層底部由胞狀晶體、短柱狀晶體和沿沉積高度方向生長(zhǎng)、呈貫穿式的粗大原始枝晶組成，中部由明顯的二次生長(zhǎng)枝晶組成，頂部組織主要為等軸晶。

(2)CMT-WAAM制備的Inconel 625 合金主要由γ Ni固溶體、Laves相和 MC 相組成，Laves相聚集分布。溫度梯度對(duì)晶粒生長(zhǎng)方向有顯著影響，晶粒容易沿?fù)駜?yōu)方向生長(zhǎng)，與溫度梯度方向的角差較小。

(3)成形件的x向和z向力學(xué)性能達(dá)到Inconel 625鍛件的水平。由于顯微組織的各向異性，材料的拉伸性能和微觀硬度稍有差別。斷口韌窩中存在Laves相和少量碳化物的第二相顆粒。各向異性對(duì)腐蝕性能的影響不太明顯，堆疊方向的試樣耐腐蝕性略優(yōu)于另兩個(gè)方向。