Ti60合金高性能修复：粉末电弧增材制造与真空激光焊接的协同方法

《Journal of Manufacturing Processes》：Enabling high performance repair of Ti60 alloy: A synergistic approach using powder arc additive manufacturing and vacuum laser welding

　　

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  针对Ti60修复提出混合MFA-PAAM与VLW策略
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  真空结合光束摆动可获得99.99%近全致密接头
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  细马氏体在焊接接头中诱发严重应变局部化
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  MFA-PAAM制备的基材可容纳应变，将接头延展性提升114.6%

引言

航空发动机作为航空航天器之"心脏"，从根本上决定了现代航空工业的进步[1]。压气机和涡轮段的整体叶盘（IBR，又称blisk）是关键转子部件。与传统依赖燕尾榫连接的叶盘组件相比，整体叶盘将叶片与轮盘无缝集成为一体，完全消除了接触界面的微动疲劳，并在减重和气动效率方面具有显著优势，使其成为下一代高推重比航空发动机不可或缺的设计方案[2]、[3]、[4]。然而，当前整体叶盘主要通过"整体锻造成形后数控加工"工艺制造，该工艺具有极低的买飞比（材料去除率超过90%），导致大量材料浪费[1]、[5]、[6]。此外，叶片作为最脆弱的部分，在极端条件下工作——包括高温、巨大离心力和外来物损伤（FOD）——极易发生开裂和磨损。由于整体叶盘上的单根叶片无法更换，局部损伤往往导致整个转子组件报废。因此，开发高性能的局部修复技术对于降低维护成本和提高运行效率具有重大的经济和工程意义[1]、[7]、[8]。

焊接和增材制造（AM）技术在航空航天部件修复中展现了无与伦比的优势。AM能够通过对复杂几何形状进行逐层沉积实现净成形制造，在受损叶片重建领域引起了广泛关注[9]、[10]、[11]、[12]。然而，主流激光AM技术由于熔池快速凝固和粉末夹气，不可避免地存在残余气孔。虽然微小缺陷可能不会显著降低静强度，但航空发动机叶片对疲劳极其敏感，气孔经常成为灾难性疲劳裂纹的萌生位置[13]、[14]、[15]。相比之下，电弧增材制造（WAAM）通常由于其稳定的大熔池动力学而避免工艺致孔问题；然而，其受到丝材供应可用性的严格限制。鉴于先进高性能航空航天合金（如难变形高温钛合金）的快速发展，其在WAAM中的应用受到丝材制备的严重制约。这些材料即使在高温下仍保持高度本征脆性，使得传统拉丝工艺极其困难且成本高昂。由此产生的无法制造连续、几何均匀的丝材的问题降低了电弧稳定性，从根本上限制了WAAM对这些下一代合金的适用性[16]、[17]。为解决这一问题，我们团队最近提出了一种新型磁场辅助粉末电弧增材制造（MFA-PAAM）技术。该技术不仅通过利用粉末喂丝提供了卓越的材料灵活性，还利用外部磁场提高工艺稳定性。已成功制造出近全致密的高温钛合金部件，为整体叶盘的高质量制造开辟了一条有前景的新途径[18]。

对于叶片剥落缺陷的补丁修复或AM重建部分与基材的连接，由于具有集中的热源、最小的热输入和可忽略的热变形，高能束焊接技术是首选[19]、[20]。然而，在传统大气激光焊（ALW）中，激光与钛合金的严重相互作用会产生密集等离子羽流。该现象引发深熔孔和熔池的剧烈波动甚至坍塌，导致气孔和飞溅，严重损害接头可靠性[21]、[22]。真空激光焊（VLW）应运而生，成为应对这些挑战的理想方案。通过降低环境气压，金属沸点降低，激光诱导的等离子羽流被大幅抑制，显著增强了激光能量吸收。更重要的是，真空环境稳定了深熔孔，并促进气泡从熔池中无阻碍地逸出，从而有效消除气孔，实现优异的冶金结合[13]、[23]。

Ti60合金属于近α钛合金，其使用温度（高达600°C）为钛合金中最高之一。它在高温下保持优异的力学性能和抗氧化性，同时相比镍基高温合金具有显著重量优势，使其成为压气机整体叶盘的理想候选材料[24]、[25]。然而，由于含有高含量的α稳定化元素，Ti60本征上表现出高强度但有限的延展性。在传统激光焊接过程中，超快冷却速率阻止了高温β相的扩散相变，导致大量脆性针状α'马氏体形成。这种剧烈的微观组织演变赋予熔合区严重的"高强度/低延展性"特征，严重损害了接头的整体协调变形能力，阻碍了激光焊接在Ti60叶片修复中的工程应用[24]、[26]。令人振奋的是，我们的初步研究表明，通过MFA-PAAM制备的Ti60合金——得益于AM过程中独特的本征热循环（自动回火效应）——不仅实现了卓越的相对密度，而且在保持拉伸强度不降低的情况下，表现出比传统锻造对照品显著优异的延展性[18]。

基于上述认识，本研究提出了一种协同"增材制造-焊接"修复策略，即将MFA-PAAM与VLW结合用于Ti60高温钛合金。该混合方法旨在同时克服Ti60修复中传统面临的"低密度（气孔）"和"差延展性（马氏体脆化）"双重瓶颈。具体而言，采用MFA-PAAM制备的Ti60合金基材作为真空环境下激光焊接的基体材料。系统表征了接头的焊缝成形、微观组织和力学性能，并与使用锻造Ti60基材焊接的传统接头进行了对比分析。本研究结果将为下一代航空发动机高温钛部件的高性能、延寿修复提供关键的理论见解和技术指导。

章节摘要

工艺原理与实验设备

本研究使用的MFA-PAAM技术示意图如图1(a)所示。沉积过程始于在基材上预铺一层均匀的金属粉末层。随后，电弧热源沿预定路径在粉末床上移动，诱导粉末和部分基材熔化并冶金结合。在此过程中，外部磁场施加于电弧区域以调节物理特征。

工艺参数对宏观成形的影响

首先，在真空连续激光焊（VCLW）模式下评估了激光功率对焊缝宏观形貌的影响。图3展示了不同激光功率下接头的顶面、根部面和横截面成形情况。在较低功率水平下，焊缝表现出满意的顶面成形但未能实现全熔透。当功率增加到1380 W时，深熔孔完全穿透板厚，获得均匀的成形。

结论

本研究针对航空发动机Ti60高温钛合金整体叶盘提出了一种创新的混合修复策略，将磁场辅助粉末电弧增材制造（MFA-PAAM）与真空激光焊（VLW）相结合。系统阐明了真空环境、光束摆动和初始基材微观组织对气孔缺陷抑制、晶体学演变和微力学行为的协同效应。主要结论如下。

CRediT作者贡献声明

Kexin Kang：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿撰写，软件，资源，方法论，调查，正式分析，数据整理。Xinwei Wang：软件，方法论。Chenxiang Liu：软件，调查。Weilong Qi：软件，方法论。Ruihan Li：调查。Jun Tian：正式分析。Bingxiao Xu：数据整理。Fuyun Liu：正式分析。Caiwang Tan：资源，概念化。Qingjie Sun：资源，概念化。Shuhai Chen：撰写 – 审阅与编辑，

伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物受试者。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金委（编号：52605479、52275306）和材料及结构精密焊接与连接国家重点实验室（编号：MSWJ-26M-15）的支持。

Kexin Kang|Xinwei Wang|Chenxiang Liu|Weilong Qi|Ruihan Li|Jun Tian|Bingxiao Xu|Fuyun Liu|Caiwang Tan|Qingjie Sun|Shuhai Chen