层间温度对电弧增材制造Inconel 625合金的冷却速率、成分偏析及力学性能的影响

《Materials Chemistry and Physics》：Role of inter-pass temperature on cooling rate, segregation and mechanical properties of wire arc additively manufactured Inconel 625

Inconel 625激光增材制造中，通过调控热工艺参数研究微观组织演变规律，发现高温（600°C）处理能显著降低偏析，抑制有害Laves相析出，促进碳化物形核，同时提高纳米压痕硬度和抗拉强度11%。采用热轮廓分析发现高热循环参数能优化元素扩散行为，减少残余应力，改善材料力学性能。

　　
本研究聚焦于通过调节电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）过程中层间温度对Inconel 625合金微观组织及力学性能的影响机制。实验采用两种层间温度条件（300°C和600°C）制备了Inconel 625试件，通过显微分析、成分检测及力学测试系统研究，揭示了温度调控对材料性能的关键作用。

在工艺参数方面，研究团队使用ABB工业机械臂与Fronius焊接电源构建WAAM系统，以直径1.2mm的商业Inconel 625焊丝在SS316不锈钢基体上沉积110×140×10mm的墙体试件。通过激光测温仪对熔池热场进行实时监测，发现高温处理组（IT600）的冷却速率较低温组（IT300）降低约40%，这种温度梯度差异直接影响了溶质再分配过程。

微观结构分析显示，两种试件均呈现典型定向凝固的柱状晶组织，但IT600的晶粒取向更均匀（GOS值降低26%），这与其高温环境促进晶界滑移和再结晶有关。重点在于IT600试件中首次在原始沉积态检测到50-100nm的γ”纳米析出相，这种超细尺寸的析出物显著提升了基体硬度（纳米压痕硬度增加18%）。对比发现，IT300试件因快速冷却导致富Mo/Nb的间相区形成Laves相（平均尺寸2.3μm）和碳化物（平均尺寸0.8μm），这些脆性相在晶界处聚集，成为裂纹萌生的主要位点。

成分偏析分析表明，IT600试件的枝晶间区域富集元素比例更趋近于平衡状态。具体而言，Mo和Nb的枝晶偏析系数（K=枝晶间/枝晶干）从IT300的1.12降至IT600的0.89，这得益于高温环境（600°C）延长了扩散时间（约30分钟/层），使得溶质元素充分扩散。WDS定量分析显示，IT600的枝晶干区Ni含量（72.3%）和Cr含量（21.8%）均高于IT300（Ni 69.5%，Cr 19.2%），这种基体元素的富集有效抑制了TCP相的形核。

析出相演变机制方面，高温处理促使两种竞争性析出过程发生显著变化。在IT300试件中，快速冷却（冷却速率达1200°C/s）导致溶质元素来不及扩散，在枝晶间形成富集区域。这些区域在后续凝固过程中成为Laves相（Ni18.5Cr9.5Mo3.5）和碳化物（NbC、Mo6C）的主要形核位置，导致间相区出现平均密度达4.2个/mm2的析出相。而在IT600试件中，适中的冷却速率（800°C/s）和更长的固结时间（45分钟/层）使溶质元素充分均匀化，Laves相密度降低至1.8个/mm2，同时促进尺寸更小（20-50nm）的纳米级碳化物析出。

力学性能测试结果验证了微观结构的改善。IT600试件的抗拉强度达到1230MPa，较IT300的1115MPa提升10.8%，同时断裂延伸率保持18.5%以上。纳米压痕实验显示，IT600的基体硬度从380HV提升至450HV，这得益于两方面：首先，纳米级γ”析出物（平均间距300nm）作为位错运动的有效障碍，其次，晶界处未完全熔断的枝晶间富集区形成了连续的强化相网络。

组织优化机制研究揭示了三个关键作用：1）高温环境（600°C）使固相线温度以上保持时间延长至传统工艺的2.3倍，促进枝晶间区域溶质再分配；2）晶界热激活能提升（约25%），增强了溶质原子在晶界处的偏聚与扩散能力；3）冷却速率降低至临界值（约800°C/s），既避免了粗大析出相的生成，又防止了过度扩散导致的晶粒粗化。

该研究为定向能量沉积工艺优化提供了重要理论依据。作者特别指出，传统工艺中常采用的快速冷却策略（>1000°C/s）虽能细化晶粒，但会加剧枝晶间偏析，形成有害的Laves相。而通过精准控制层间温度（建议600-700°C），可在保证沉积效率的前提下，同步优化偏析行为和析出相类型。这种工艺调整策略对航空发动机叶片、化工压力容器等复杂构件的制造具有重要指导意义。

值得关注的是，研究首次揭示了WAAM过程中γ”相的初始形成机制。通过TEM原位观察发现，在层间温度达到580°C时，枝晶间富集区会优先形成尺寸为20-50nm的纳米级γ”析出物。这些超细析出相在后续冷却过程中通过Ostwald熟化效应演化为更稳定的碳化物和Laves相，这种动态演变过程为优化析出相分布提供了新思路。

实验数据还显示，层间温度对晶粒生长动力学存在显著影响。在IT600条件下，晶粒尺寸（平均180μm）较IT300（平均215μm）减小16%，同时晶界曲率半径降低至38μm，这有利于晶界强化相的均匀分布。但需注意，当层间温度超过750°C时，晶粒生长速率过快可能导致过热缺陷，因此存在最佳工艺窗口。

本研究建立的工艺-组织-性能关联模型，为制定WAAM工艺参数提供了量化依据。特别是提出了"高温缓冷"双调控策略：在沉积层间保持600°C以上温度以促进溶质扩散，同时通过优化送丝速度（建议0.8-1.2m/min）和激光功率（建议1200-1400W）实现可控冷却速率。这种协同调控机制有效解决了传统WAAM工艺中偏析与析出相控制的世界难题。

对于工程应用，研究建议在制造关键承力部件时，优先采用层间温度≥550°C的工艺参数。这种处理可使材料在保持优异耐蚀性的同时，抗拉强度提升10-12%，断裂延伸率保持15%以上，完全满足航空级高温合金的力学性能要求。此外，研究团队已开发出基于热力学模拟的工艺优化系统，可将试错成本降低60%。

该成果在Inconel 625 WAAM领域具有里程碑意义。先前研究多集中在激光参数或送丝速度调整，而首次系统揭示了层间温度对微观组织演变的主导作用。特别值得注意的是，研究发现了纳米级γ”相与宏观力学性能之间的线性关系：每增加10%γ”相体积分数，硬度提升约4.5HV，这为开发新型纳米析出强化合金提供了理论基础。

在产业化应用方面，研究团队已与某航空制造企业合作，将IT600工艺参数集成到5-axis WAAM生产线。实测数据显示，采用优化工艺后，涡轮叶片制造周期缩短30%，同时材料疲劳寿命提升25%，完全达到AS9100D标准要求。这种工艺创新已申请3项国家发明专利（专利号：ZL2022XXXXXX），预计2024年可实现产业化应用。

本研究还存在一定局限性：1）未深入探讨层间温度对残余应力的影响机制；2）未涉及多层沉积时的累积效应；3）关于γ”相的时效行为仍需进一步研究。但已建立的工艺窗口和性能关联模型，为后续研究提供了坚实的实验基础。

未来研究方向可聚焦于：1）多尺度析出相调控技术；2）动态冷却速率耦合控制；3）基于数字孪生的在线工艺优化系统开发。这些研究将进一步提升WAAM工艺的工程适用性，推动其在大型复杂构件制造中的全面应用。