激光粉末床熔融处理的气体钨弧焊镍基超级合金接头的微观结构演变与强化机制：焊接方向和热输入的影响

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Microstructural evolution and strengthening mechanisms of gas tungsten arc welded nickel-based superalloy joints processed by laser powder bed fusion: Effects of welding direction and heat input

激光粉末床融合（LPBF）制备的ZGH4142镍基超合金通过自体GTAW焊接，系统研究了热输入与焊接方向对接头微观结构、析出相演变及力学性能的影响。结果表明，热输入增加导致焊缝形态及熔池几何尺寸扩大，焊心细等轴晶向粗等轴晶转变；冷却速率降低促使MC碳化物粗化，γ'相占比从14%增至33%，强化机制由晶粒细化转向位错强化。接头呈现典型“M”型硬度分布，HAZ与WZ硬度差异显著，定量分析显示基体与WZ以固溶强化为主，HAZ以位错强化为主导。电子背散射衍射证实晶粒取向与低角晶界比例对焊接方向敏感，反映LPBF合金的本征各向异性。这些发现为增材制造超合金焊接评价与工艺优化提供了理论支撑。

　　

作者：童亚兴 | 朱国亮 | 林三宝

哈尔滨工业大学材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室，中国哈尔滨 150001

摘要

激光粉末床熔融（LPBF）工艺赋予镍基超级合金独特的非平衡微观结构特征；然而，这些特征对焊接微观结构演变和机械性能的影响尚未得到充分理解。本研究采用自保护气体钨极电弧焊（GTAW）对通过LPBF制造的沉淀强化ZGH4142超级合金进行了焊接。通过微观结构表征结合有限元模拟，系统地阐明了热输入和焊接方向对焊接接头结构和性能的影响。结果表明，随着热输入的增加，焊缝形态和熔池几何形状增大，焊缝中心的细等轴晶粒转变为粗等轴晶粒。随着冷却速率的降低，MC碳化物粗化，γ′相的比例从14%增加到33%，主导的强化机制从晶粒细化转变为位错强化。接头呈现出典型的“M形”硬度分布，热影响区（HAZ）和焊缝区（WZ）的硬度分别最高和最低。定量强化分析表明，基体金属和WZ主要受固溶强化作用，而HAZ主要受位错强化作用。电子背散射衍射分析进一步揭示，晶粒取向和低角度晶界比例对焊接方向敏感，反映了LPBF处理合金的固有各向异性。这些发现为镍基超级合金的焊接评估和工艺优化提供了基础见解和实际指导。

引言

激光粉末床熔融（LPBF）是一种代表性的金属增材制造技术，由于其高能量密度、快速凝固和逐层沉积的特点，能够制造出高精度的复杂结构[2]、[3]。LPBF工艺赋予合金独特的非平衡微观结构特征[4]、[5]，如蜂窝状亚晶粒、强晶体纹理、高位错密度和过饱和固溶体[6]、[7]。这些特性提高了镍基超级合金的强度[8]、[9]和高温性能[10]，扩展了其在航空航天[11]和发电领域[12]、[13]的应用潜力。然而，这种复杂的微观结构和固有各向异性可能导致其与传统铸造和锻造合金在焊接和服役过程中的行为有所不同，对其可焊性的系统理解仍然有限。

镍基超级合金[14]是重要的高温结构材料，在航空航天、发电等领域有广泛的应用。沉淀强化超级合金以γ′（Ni3(Al, Ti, Ta)）为主要强化相[15]，在高温下具有优异的蠕变抗力和长期稳定性[16]。传统的可焊性评估通常基于Al + Ti + Ta含量来估计热裂纹倾向[17]，这种方法适用于铸造和锻造合金，但可能无法准确描述LPBF处理合金的焊接行为[18]。最近的研究表明，如IN738[19]、CM247LC[20]和CMSX-10[21]等沉淀强化超级合金，尽管由于含有高量的γ′形成元素[22]通常被认为可焊性较差，但使用LPBF制造时可焊性可以得到改善[10]。这一差异表明，为传统合金开发的经验模型可能不适用于增材制造合金，因此迫切需要对其焊接行为和微观结构演变进行深入研究。

关于传统铸造和锻造合金的焊接行为的研究主要集中在热裂纹倾向[23]、熔合区（FZ）的凝固行为以及机械性能的优化[24]、[25]上。减轻焊接缺陷的策略通常包括合金设计[26]、工艺参数调整[27]和焊后热处理[28]、[29]。然而，焊接过程中的复杂非平衡凝固[30]，特别是沉淀物的动态演变和热力学稳定性[31]尚未完全理解。增材制造合金的焊接对于集成大型部件至关重要[32]，焊接接头的可靠性对其工程应用至关重要[33]。气体钨极电弧焊（GTAW）具有适中的热输入和适应复杂几何形状的能力，已被广泛用于生产高质量和精确的焊缝[34]、[35]。然而，现有研究主要针对铸造和锻造合金[36]，LPBF处理的沉淀强化合金的熔焊行为尚未得到充分探索[37]。LPBF处理合金的细晶粒微观结构、高位错密度和各向异性可能导致焊接过程中的裂纹倾向和微观结构演变完全不同[6]。

因此，现有的知识不足以阐明LPBF处理的沉淀强化镍基超级合金在焊接过程中的微观结构演变和强化机制，限制了它们在先进服役环境中的更广泛应用。为了解决这一不足，我们研究了在不同GTAW参数下LPBF制造的ZGH4142超级合金的焊接行为。通过多尺度微观结构表征结合有限元建模，系统分析了热输入和焊接方向对接头微观结构、沉淀物演变和机械性能的影响。本研究旨在建立微观结构-性能关系，为增材制造超级合金的可焊性评估和工艺优化提供理论和实验指导。

材料与焊接工艺

实验材料是使用LPBF制造的ZGH4142镍基超级合金板（200 × 100 × 5 mm3）。基体金属（BM）的名义化学成分见表1，LPBF工艺参数详见参考文献[10]。GTAW（Fronius MagicWave 4000）采用自保护模式进行，如图1所示。焊接前，试样经过机械抛光去除表面氧化物，并用乙醇超声清洗。

在

焊接接头的宏观形态

图2展示了在不同焊接参数下LPBF制造的ZGH4142合金焊接接头的表面和截面形态。在低热输入条件下（图2a），能量密度不足限制了电弧加热，导致熔池宽度和深度减小，形成狭窄的FZ。当焊接速度降低时（图2c），熔池逐渐变宽。初始阶段热量快速传导到未预热的BM中，限制了熔池的扩展。

讨论

根据第3节的结果，焊接接头在微观结构和机械性能上表现出明显的差异。为了阐明这些差异的原因，下面讨论了热输入和焊接方向对接头微观结构及其相应强化机制的影响。

结论

本研究系统研究了在不同热输入下，采用自保护GTAW焊接的LPBF制造的ZGH4142镍基超级合金接头的微观结构演变和强化机制。主要结论如下：

• 1.
  LPBF制造的ZGH4142合金具有细晶粒、高位错密度和蜂窝状亚结构，形成了过饱和固溶体。焊接过程中的不同热循环导致了区域特定的微观结构演变：HAZ由

作者贡献声明

童亚兴：概念提出、方法设计、实验研究、撰写初稿。朱国亮：资源获取、资金筹措、撰写-审稿与编辑、监督。林三宝：概念提出、方法设计、资金筹措、撰写-审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金的支持，项目编号分别为52371012和52175296。