通过芯线电弧增材制造技术制备的TiC/Inconel 625复合材料的激光冲击强化处理

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Laser shock peening of TiC/Inconel 625 composites fabricated via cored wire arc additive manufacturing

激光冲击辅助芯线电弧增材制造可有效调控熔池行为，提升Inconel 625/TiC复合材料的机械性能与耐磨性，其协同作用使抗拉强度提高7.8%、屈服强度提升10.8%、延展性达23.9%，并优化了磨损机制。

　　

Le Jia|Hao Yi|Huajun Cao|Jun Luo

摘要

在极端环境中，对Inconel 625等高性能合金的需求不断增加，这给传统的增材制造技术带来了挑战，因为传统制造技术在制造尺寸、几何精度和机械性能方面存在限制。芯线电弧增材制造（Cored Wire Arc Additive Manufacturing, CWAAM）为制造高性能和多材料组件提供了一种有前景的替代方案，但其表面质量和内部孔隙率存在问题。在本研究中，将激光冲击（Laser Shock, LS）技术整合到CWAAM过程中，以调节熔池行为并增强层间结合。系统地研究了激光冲击与焊炬倾斜角度的联合效应。结果表明，焊炬倾斜角度可以促进熔滴传输并增加能量输入，从而提高沉积稳定性，其中45°的倾斜角度能够获得最佳效果。此外，通过理论分析、数值模拟和实验验证，建立了一种优化的激光冲击强化（Laser Shock Peening, LSP）策略。激光冲击强化有效地细化了微观结构，增强了TiC基体与合金间的界面结合，并引入了高密度的位错和孪晶，从而减少了缺陷并在不同温度下提高了材料的机械性能和摩擦性能。磨损机制从严重的粘着磨损和磨料磨损转变为轻微的氧化磨损和微磨料磨损，在高温下氧化磨损占主导地位。与传统CWAAM相比，激光冲击强化CWAAM复合工艺的最终抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了7.8%、10.8%和23.9%，显示出强度和延展性的协同提升。本研究为调节CWAAM的成型质量和性能提供了一种有效方法，为基于电弧增材制造的高性能金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMCs）制造提供了新的见解。

引言

先进工程设备对性能要求的提高以及服务环境的日益严苛，凸显了传统制造方法和单一材料组件的局限性[1]。因此，采用先进的增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术和向多材料制造转型变得至关重要[2][3]。在现有的AM技术中，电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）具有高沉积效率、低成本和良好的可扩展性，适用于生产大型、复杂和高价值的组件[4]。Inconel 625是一种固溶强化的镍基超级合金，因其优异的耐腐蚀性、高温强度和可焊性，在航空航天、化工和海洋领域得到广泛应用[5]。将Inconel 625与WAAM结合使用，为制造大型、复杂组件提供了有前景的解决方案，同时显著降低了制造成本和时间[4]。 金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMCs）通过添加陶瓷颗粒进一步提升了传统合金的性能，提高了硬度、强度和耐磨性，同时保持了低密度和多功能性[6][7]。在各种陶瓷增强材料中，TiC由于其低晶格失配、强的冶金结合以及与Inconel 625基体相近的热导率，表现出优异的界面相容性[8]。因此，TiC增强的Inconel 625 MMCs受到了越来越多的关注。使用芯线原料（Cored Wire Feedstock）通过WAAM制造这种复合材料（该原料将粉末颗粒封装在金属护套中[9][10]），具有额外的优势，如减少颗粒损失、稳定的进料和高的沉积效率[11]。然而，非导电陶瓷颗粒的存在会干扰熔滴传输和熔池行为，常常导致CWAAM过程中出现沉积不稳定、表面缺陷和孔隙形成[12]。 激光冲击（Laser Shock, LS）通过脉冲激光诱导的等离子体膨胀产生高强度冲击波[13]，从而产生强烈的压缩载荷并促进熔池振荡和对流[14][15]。这些效应有望抵消CWAAM过程中的颗粒干扰，改善焊珠形态和表面稳定性。此外，激光冲击强化（Laser Shock Peening, LSP）已被广泛报道可以细化晶粒、减轻表面缺陷并引入有益的压缩残余应力（Compressive Residual Stress, CRS），从而提高镍基合金和其他高性能材料的机械性能和服务寿命[16][17]。由于Inconel 625组件经常在磨损失效占主导的严苛摩擦环境中使用，提高其耐磨性对于延长使用寿命和降低维护成本至关重要[18][19]。传统的后处理方法如工艺优化[20]、热处理[21]、高压烧结（HIP）[22]或超声冲击[24]要么效果有限，要么不适用于大型WAAM结构。因此，将LS与CWAAM结合使用，为同时调节熔池动态、提高成型质量和增强机械及摩擦性能提供了有前景的途径。 在本研究中，开发了一种TiC增强的Inconel 625芯线，并将激光冲击辅助技术引入CWAAM过程，系统地研究了熔池行为、焊珠形态调节和微观结构演变。通过实验和多尺度建模阐明了颗粒辅助凝固、LSP诱导的冲击硬化和残余应力重分布的耦合机制。在室温和高温条件下，对固体电弧增材制造（Solid Wire Arc Additive Manufacturing, SWAAM）、CWAAM和LSP-CWAAM进行了全面比较，以评估磨损行为和机械性能。结果表明，LSP辅助的CWAAM在强度、延展性和耐磨性方面具有协同提升作用；例如，LSP-CWAAM的最终抗拉强度（UTS）提高了7.8%，屈服强度（YS）提高了10.8%，伸长率提高了23.9%。这项研究首次系统地评估了激光冲击辅助CWAAM在Inconel 625 MMCs中的应用，为理解工艺-结构-性能关系提供了新的见解，并为基于WAAM的高性能MMCs制造奠定了基础。

实验装置与原理

实验装置与原理

采用Fronius公司的CMT 4000 Advanced系统（奥地利）进行了WAAM沉积。由于其低热输入和稳定的熔滴传输，冷金属传输（Cold Metal Transfer, CMT）模式可实现无飞溅操作和高沉积稳定性，这对于制造多层结构至关重要。焊接焊炬安装在KUKA KR60–3机器人臂上，定位重复精度为±0.06毫米，能够实现精确的路径控制和接近净形的制造。

为了调节熔池行为

激光冲击辅助芯线电弧增材制造中的表面质量

为了提高CWAAM沉积物的表面质量，沉积过程中的有效过程控制至关重要。在本研究中，采用了激光冲击辅助的熔池控制策略。考虑到实验效率、实验室条件、集成可行性和冲击效果，激光束垂直布置，而在沉积过程中焊接焊炬则倾斜。因此，必须研究焊炬倾斜角度对过程稳定性和表面形态的影响

结论

本研究开发了一种基于Inconel 625的TiC增强芯线，并实施了激光冲击辅助的芯线电弧增材制造，以改善成型质量和机械性能。激光冲击诱导的熔池调节稳定了电弧行为，增强了材料混合，并显著提高了表面质量。为了进一步强化性能，还引入了激光冲击强化技术，并通过理论分析、模拟和实验进行了验证。

作者贡献声明

Jun Luo： 资金筹集。Hao Yi： 写作 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、研究、资金筹集、概念构思。Huajun Cao： 资源管理、项目管理、资金筹集。Le Jia： 写作 – 初稿撰写、可视化处理、验证、软件应用、方法论设计、研究实施、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（T2421001、52375306）、中新青年创新人才项目（CSTB2025YITP-QCRCX0097）、重庆市技术创新与应用发展专项（CSTB2024TIAD-STX0016）、重庆市自然科学基金（CSTB2025NSCQ-GPX0728）、中央高校基本科研业务费（2025CDJZKZCQ-12）以及机械国家重点实验室自主研究项目的支持。