电弧增材制造Inconel 625合金的载荷与微观结构不均匀性对两体磨粒磨损性能的影响

针对电弧增材制造（WAAM）Inconel 625合金因微观结构不均匀导致的磨损性能差异问题，研究人员通过载荷梯度实验（10–30 N）和腐蚀测试，揭示了不同区域（顶部/中部/底部）的摩擦系数（COF：0.341–0.560）与磨损机制（磨粒/粘着/分层磨损）的关联性，并发现顶部区域腐蚀速率最低（0.496±0.05 mpy）。该研究为优化WAAM工艺参数和提升部件服役寿命提供了关键数据支撑。

　　

在航空航天、核能及油气开采等领域，Inconel 625（IN625）合金因其优异的机械性能和耐高温特性成为关键材料。然而，传统制造方法难以加工复杂几何部件，且修复成本高昂。电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）虽能通过逐层沉积解决几何限制，但沉积过程中因热梯度差异导致的微观结构不均匀性，显著影响材料的磨损与腐蚀性能，进而威胁部件服役安全。例如，涡轮叶片在腐蚀环境中可能因局部磨损而失效，但目前针对WAAM沉积IN625合金从底部到顶部区域的系统性摩擦学研究仍属空白。

为解决这一问题，印度理工学院（MNIT Jaipur）的研究团队采用冷金属过渡（CMT-WAAM）工艺沉积IN625合金，结合显微组织分析、摩擦学测试和电化学腐蚀评估，系统研究了微观结构梯度对材料性能的影响。相关成果发表于《Materials Today Communications》。

关键技术方法
研究团队通过数控3D工作台系统进行CMT-WAAM沉积，选用1.2 mm直径IN625焊丝。采用光学显微镜分析不同高度（顶部/中部/底部）的晶粒形貌，通过销-盘摩擦试验机（载荷10–30 N）评估磨损率与摩擦系数，并利用扫描电镜（SEM）观察磨损机制。腐蚀性能通过动电位极化曲线和电化学阻抗谱测定。

研究结果

微观结构评价
沉积层从底部到顶部呈现显著梯度变化：底部为粗大柱状晶（长宽比1.31），中部为细长柱状枝晶（COF最高达0.560），顶部则形成等轴晶（长宽比1.82，COF 0.425）。这种差异源于沉积过程中底部散热慢、顶部冷却快导致的固相转变差异。

摩擦学性能
载荷增加（10→30 N）使磨损率从2.34×10^?3
升至15.80×10^?3
mm3/m。顶部等轴晶因硬度较高（HV 265）以磨粒磨损为主；中部柱状晶因晶界弱化引发粘着磨损；底部粗晶则因塑性变形倾向导致分层磨损。SEM显示中部区域磨损表面存在明显犁沟和材料转移。

腐蚀行为
顶部区域因γ相（Ni-rich）均匀分布表现出最佳耐蚀性（腐蚀速率0.496±0.05 mpy），而底部因Ni₃
Nb/Ni₃
Mo金属间化合物引发局部电偶腐蚀（0.669±0.08 mpy）。

结论与意义
该研究首次揭示了WAAM-IN625合金的微观结构-性能关联规律：等轴晶（顶部）兼具低COF与高耐蚀性，柱状晶（中部）因高摩擦系数成为磨损薄弱区。这一发现为定向调控WAAM工艺参数（如热输入、冷却速率）提供了理论依据，对提升航空发动机叶片等关键部件的服役可靠性具有重要工程价值。作者Gaurav Kishor等特别指出，未来需进一步研究热处理对晶界析出相的调控作用，以优化综合性能。