《Next Materials》：Effect of heat input on solidification behavior, microstructure evolution, and mechanical properties of melt-in-mode plasma arc welded inconel 625
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等离子弧焊（PAW）是一种先进的熔焊技术，广泛应用于制造面向高温和腐蚀性服役环境的部件，如航空航天膨胀节、金属波纹管和排气系统部件。在其变体中，熔化极等离子弧焊（MIM-PAW）特别适合连接厚度为1至2.4 mm的薄板。该技术被认为是焊接Inconel 625
等离子弧焊（PAW）是一种先进的熔焊技术，广泛应用于制造面向高温和腐蚀性服役环境的部件，如航空航天膨胀节、金属波纹管和排气系统部件。在其变体中，熔化极等离子弧焊（MIM-PAW）特别适合连接厚度为1至2.4 mm的薄板。该技术被认为是焊接Inconel 625的高效方法，Inconel 625是一种奥氏体镍基高温合金，以优异的机械强度、抗氧化性和热稳定性著称。由于这些特性，Inconel 625被广泛应用于液体火箭发动机部件、燃气涡轮发动机及其他高温工程应用。尽管该合金可采用多种熔焊工艺焊接，包括钨极氩弧焊、电子束焊和激光束焊，但MIM-PAW提供了极大的控制能力，并在中等厚度板材中产生高质量接头。本研究考察了焊接电流对MIM-PAW制备的2.4 mm厚Inconel 625对接接头的冶金和力学行为的影响。采用优化参数（70 A焊接电流、130 mm/min行走速度、1 L/min等离子气流量和4.5 mm弧长）制备了无缺陷焊缝。优化接头表现出5.748 mm的焊道宽度、0.1266 mm的热影响区宽度、7.915 mm2的熔合区面积和1.796 mm2的热影响区面积。在351 J/mm热输入下，接头实现了872 MPa的抗拉强度、566 MPa的屈服强度、36%的延伸率、918 MPa的缺口强度、1.05的缺口强度比和92.96%的接头效率。组织观察表明，较低焊接电流产生更细小的等轴晶，而较高电流促进晶粒粗化和拉长晶粒形貌。
研究背景：高温合金部件需在极端温度腐蚀环境下服役，镍基高温合金因优异的高温强度、蠕变疲劳抗力和耐腐蚀氧化性被广泛用于航空航天、发电、汽车及能源领域。Inconel 625（合金625）是一种变形镍基高温合金，主要通过碳（C）、铬（Cr）、钼（Mo）和铌（Nb）等合金元素的添加实现固溶和析出强化。该合金可采用钨极氩弧焊（GTAW）、等离子弧焊（PAW）、激光束焊（LBW）和电子束焊（EBW）等方法连接。PAW利用不熔化钨极并辅以惰性气体（主要为高纯氩）产生高能量密度电弧，相比其他熔焊技术具有更好的焊缝质量。PAW的焊接电流、焊接速度、等离子气流量和弧长（stand-off距离）是影响焊接性能的重要因素。PAW有三种主要操作模式：传导模式、熔化极模式和孔模式，其中熔化极模式使用10 A至100 A电流，适用于1 mm至2.4 mm厚度材料。焊接Inconel 625面临诸多挑战：δ相（Ni3Nb）形成、显微偏析、凝固裂纹、气孔和气体卷入以及热应力和残余应力。δ相为正交Ni3Nb相，易在枝晶间区域形成，在800°C高钼铌浓度区域出现，降低延展性和断裂韧性。Inconel 625因高熱膨胀系数和低热导率在焊接中产生高热应力，若不进行去应力处理，可能导致变形、翘曲或残余应力。已有研究报道了GTAW下Inconel 625和Incoloy 800异种接头的奥氏体组织，熔合区（FZ）呈胞状和柱状枝晶结构，热影响区（HAZ）晶粒粗化。Mayuri Baruah等观察到奥氏体组织均匀分布，HAZ较窄（平均300微米），HAZ晶粒较粗，焊缝区（WZ）呈拉长枝晶结构。Siva Prasad等发现WZ硬度高于母材，微等离子弧焊Inconel 625接头强度更高。迄今为止，大多数Inconel 625焊接研究集中于GTAW、LBW和EBW，而关于熔化极等离子弧焊（MIM-PAW）的文献有限。本研究的主要目标是探究焊接电流对MIM-PAW焊接2.4 mm厚Inconel 625对接接头拉伸性能和冶金特征的影响。
研究人员开展的研究及结论：研究人员采用2.4 mm厚Inconel 625合金薄板制备焊接接头，使用液压剪板机将试样剪切成100×50×2.4 mm3的方形对接接头。实验采用TransTIG 4000电源和PM-10等离子模块的等离子弧焊设备，两个99.99%纯氩气瓶分别提供等离子气和主保护气，二次保护使用高纯氩气覆盖焊缝上表面（拖罩保护）和下表面（背面保护）。焊接电流范围为50-80 A，焊接速度130 mm/min，等离子气流量1 L/min，弧长4.5 mm。热输入（Q）按Q=I×V×η/S计算，其中I为焊接电流（A），V为弧电压（V），S为焊接速度（mm/min），η为工艺效率（取0.60）。熔合区冷却速率根据实验测量的二次枝晶臂间距（SDAS）按λ2=50(T)^(-1/3)计算。拉伸试验按ASTM E8M-05标准在50 kN伺服控制万能试验机上进行，十字头速度2 mm/min，屈服强度采用0.2%偏移法测定，延伸率基于25 mm标距测量。维氏显微硬度按ASTM E384-17标准测量，载荷0.5 kg，保载30 s。采用Glyceregia试剂蚀刻金相样品，用光学显微镜观察组织，用SEM-EDS进行元素分析，通过EDS点扫描确定Laves相和枝晶核的化学成分，并对熔合区进行面扫描以确定Nb偏析程度。研究得出：在70 A焊接电流、130 mm/min焊接速度、1 L/min等离子气流量和4.5 mm弧长、热输入351 J/mm的优化参数下成功制备了无缺陷MIM-PAW Inconel 625接头。焊接电流是影响热输入、冷却速率、凝固行为、组织和力学性能的最重要工艺参数。电流从60 A增至80 A时，热输入从284 J/mm增至403 J/mm，冷却速率从320 K/s降至190 K/s。熔合区主要由胞状和柱状枝晶组成，SDAS从60-65 A时的10.8-12.3 μm增至70 A时的14.8 μm和80 A时的17.4 μm。显微偏析和Laves相形成程度随焊接电流增加而增加，Laves相体积分数从60 A时的5.42%增至70 A时的6.42%，80 A时达7.48%；平均Laves相尺寸从1.85 μm增至3.75 μm，从细小不连续颗粒转变为粗大连续网络。随电流增加，HAZ和部分熔化区（PMZ）对液化 and 晶粒粗化敏感性增加，75-80 A时出现富Nb和Mo晶界液化和连续液化裂纹，较低电流下PMZ无裂纹。70 A制备的接头表现出最佳的组织和力学性能组合，抗拉强度872 MPa、屈服强度566 MPa、延伸率36%、缺口抗拉强度918 MPa、缺口强度比1.05、接头效率92.96%。这些发现表明适当控制焊接电流对于获得良好力学性能的MIM-PAW Inconel 625接头至关重要。
关键技术方法：研究人员采用熔化极等离子弧焊（MIM-PAW）制备2.4 mm厚Inconel 625对接接头，使用TransTIG 4000电源和PM-10等离子模块，以99.99%纯氩为等离子气和保护气；按ASTM E8M-05标准进行室温拉伸试验（50 kN万能试验机，2 mm/min）；按ASTM E384-17标准进行维氏显微硬度测量（0.5 kg载荷，30 s保载）；采用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察组织；采用能谱仪（EDS）点扫描和面扫描分析Laves相和枝晶核成分及Nb偏析；基于实测二次枝晶臂间距（SDAS）按经验公式计算冷却速率；热输入按Q=I×V×η/S计算（η取0.60）。所用材料为2.4 mm厚Inconel 625合金薄板（化学成分：C 0.017、Si 0.037、Mn 0.209、S 0.005、P 0.010、Cr 22.147、Fe 9.52、Mo 19.52、Co 0.235、Nb 3.632、Cu 0.123、V 0.018、Al 0.106、Ti 0.168、W 0.183，Ni余量；母材屈服强度647 MPa、抗拉强度938 MPa、延伸率41%、维氏硬度251 HV）。
研究结果：
3.1 宏观组织与焊道几何特征：通过分析不同焊接电流下接头横截面宏观组织，得出焊接电流通过改变净热输入显著影响焊道几何。50-55 A时热输入不足导致未熔透；60 A（284 J/mm）时实现完全熔透，FZ宽度5.002 mm、HAZ平均宽度0.117 mm、FZ面积7.433 mm2、HAZ面积1.173 mm2；随电流增至80 A（403 J/mm），FZ宽度增至6.011 mm、HAZ宽度增至0.171 mm、FZ面积增至8.739 mm2、HAZ面积增至2.003 mm2，熔透深度在完全熔透后保持2.4 mm不变。70 A时接头呈现完全熔透、无宏观缺陷的健全焊道形貌。
3.2 拉伸性能：通过横向拉伸试验得出所有焊接接头抗拉强度均低于母材，主要归因于母材与FZ间的组织不均匀性；断裂均发生在FZ，归因于合金元素偏析促进硬脆Laves相形成，限制塑性变形。70 A时接头表现最佳综合力学性能：抗拉强度872 MPa、屈服强度566 MPa、延伸率36%；80 A时延伸率较60 A降低22%。断口形貌显示母材呈均匀韧窝状韧性断裂，70 A接头韧窝更细更深，75-80 A接头韧窝粗大且浅，反映塑性变形能力下降。
3.3 显微硬度：通过显微硬度测量得出FZ硬度高于母材，归因于枝晶组织和枝晶间金属间Laves相形成；FZ和HAZ硬度均高于母材。60 A时FZ硬度260 HV?.?，70 A时达最高281 HV?.?、HAZ硬度277 HV?.?（母材252 HV?.?），75 A和80 A分别降至258 HV?.?和256 HV?.?。FZ显微硬度呈非单调响应，70 A时达到峰值。
3.4 显微组织：通过光学显微镜和图像分析得出母材为等轴奥氏体镍基基体含碳化物析出和退火孪晶。焊接电流从60 A增至70 A时FZ枝晶组织较细小，进一步增流导致枝晶渐进粗化，80 A时呈粗大枝晶和较大枝晶间距，利于枝晶间元素偏析。75-80 A时SDAS从16.1 μm增至17.4 μm，组织从完全柱状枝晶向柱状-等轴混合结构转变。Laves相体积分数从60 A的5.42%增至70 A的6.42%和80 A的7.48%，平均尺寸从1.85 μm增至3.75 μm，形貌从孤立颗粒变为不连续网络再变为粗大近连续网络。焊接界面上HAZ宽度从117.11 μm增至117.15 μm，PMZ宽度从28 μm增至124 μm，外延生长取向角θ从约60°降至30°；60-65 A界面清洁稳定，70 A时PMZ出现孤立微裂纹（液化起始），75-80 A时发展为连续晶间液化裂纹。
3.5 显微偏析与Laves相形成：通过EDS分析得出枝晶间区域富集Nb和Mo，枝晶核主要为富Ni和Cr的γ基体。60-65 A时Nb在枝晶间浓度较低，元素再分配受限；70 A时枝晶间液膜中Nb和Mo中等富集，形成离散Laves相；75-80 A时显微偏析显著加剧，枝晶间高度富集Nb和Mo而枝晶核相应贫化，枝晶界出现粗大连续共晶组织。EDS面扫描进一步证实Nb和Mo富集颗粒主要集中于枝晶间区域，而Ni和Cr主要分布于枝晶核，偏析强度随焊接电流逐渐增加。
讨论部分总结：讨论围绕焊接电流对宏观组织与焊道几何、拉伸性能、显微硬度、显微组织和显微偏析与Laves相形成的影响展开。焊道几何变化主要与净热输入增加及熔池行为相关：50-55 A热输入不足以熔透2.4 mm板厚；60 A超过全厚度熔化临界阈值实现完全熔透；65-70 A提高熔化效率和熔融金属流动性，形成健全焊道且热循环受控；75-80 A热积累过量，熔池体积增大和热暴露延长导致FZ和HAZ显著增宽，额外热量侧向耗散而非增加熔透。拉伸性能受FZ组织演变控制：60 A快速凝固获得细化胞状-柱状枝晶（SDAS 10.8 μm）但熔化效率较低；70 A在热输入和冷却速率间取得最佳平衡，SDAS 14.8 μm、细小不连续Laves相（平均2.85 μm、体积分数6.42%），获得最高FZ硬度281 HV?.?和最高抗拉强度872 MPa、延伸率36%；75-80 A冷却速率降至220和190 K/s，枝晶粗化（SDAS 16.1和17.4 μm）、Laves相粗化（3.20和3.75 μm）和体积分数增加（6.95%和7.48%），导致硬度降至258和256 HV?.?、抗拉强度降至831和740 MPa。显微硬度非单调响应表明区域平均硬度不仅取决于硬质枝晶间相体积分数，还受γ基体力学特性和凝固组织影响。组织演变主要受热输入和冷却速率控制：60-70 A优化热输入促进有利冷却速率和凝固动力学，减小温度梯度增加过冷度，促进细小胞状和柱状枝晶形成；75-80 A冷却速率显著降低导致枝晶粗化和等轴晶转变，加剧元素偏析和Laves相形成。Laves相演变主要受热输入差异和冷却速率控制：低电流（60-65 A）高冷却速率限制Nb和Mo扩散，形成细小不连续Laves相颗粒；70 A冷却速率适度降低，允许Nb和Mo部分再分配，形成尺寸增加和部分连续的Laves相，仍充分分散；75-80 A冷却速率显著降低，延长凝固时间促进Nb和Mo广泛偏析，形成粗大连续Laves相网络，消耗γ基体中的强化Nb并降低固溶强化。焊接界面组织演变受热输入和冷却速率交互控制：60-65 A（284-321 J/mm）低热输入促进快速散热，陡峭热梯度和快速凝固限制枝晶生长，形成细小胞状-枝晶组织（SDAS 10.8-12.3 μm），抑制Nb和Mo偏析，界面冶金稳定；70 A（351 J/mm）冷却速率适度降低，SDAS 14.8 μm，较长凝固时间允许Nb-rich相沿晶界有限偏析，PMZ局部熔化引发微裂纹；75-80 A（377-403 J/mm）冷却速率显著降低，SDAS达17.4 μm，PMZ晶界形成连续低熔点液膜，冷却后凝固为脆性晶间相，导致连续液化裂纹，同时HAZ长时间高温暴露导致晶粒粗化和晶界强度下降。微偏析行为主要受非平衡凝固特征控制，凝固序列为L→L+γ→L+γ+Nb/TiC→γ+Laves；低电流快速冷却限制长程扩散和元素再分配，抑制过量Laves相形成；高电流较慢冷却允许充分溶质再分配，加剧Nb和Mo显微偏析，粗大连续Laves相网络因其脆性并消耗γ基体强化Nb而不利力学完整性。
结论部分翻译：主要结论可总结如下：1. 在优化焊接参数（70 A焊接电流、130 mm/min焊接速度、1 L/min等离子气流量、4.5 mm弧长、热输入351 J/mm）下成功制备了无缺陷MIM-PAW Inconel 625接头，宏观组织检查显示窄热影响区，焊道宽度5.748 mm、HAZ宽度0.1266 mm、FZ面积7.915 mm2、HAZ面积1.796 mm2，表明焊缝成形良好且熔合充分。2. 焊接电流是影响热输入、冷却速率、凝固行为、组织和力学性能的最重要工艺参数，电流从60 A增至80 A时热输入从284 J/mm增至403 J/mm，冷却速率从320 K/s降至190 K/s。3. 熔合区主要由胞状和柱状枝晶组成，SDAS从60-65 A时的10.8-12.3 μm增至70 A时的14.8 μm，再增至80 A时的17.4 μm；较高电流下冷却速率降低促进枝晶间区域增大和枝晶粗化。4. 显微偏析和Laves相形成程度随焊接电流增加，Laves相体积分数从60 A时的5.42%增至最佳电流70 A时的6.42%，80 A时达7.48%；同时平均Laves相尺寸从1.85 μm增至3.75 μm，表明从细小不连续颗粒向粗大连续网络转变。5. 随电流增加，HAZ和PMZ对液化和晶粒粗化敏感性增加，75-80 A时因长时间温度暴露和严重元素偏析出现富Nb和Mo晶界液化和连续液化裂纹，较低电流条件形成无裂纹PMZ。6. 70 A制备的接头表现出最佳的组织特征和力学性能组合，在351 J/mm热输入下实现抗拉强度872 MPa、屈服强度566 MPa、延伸率36%、缺口抗拉强度918 MPa、缺口强度比1.05和接头效率92.96%，优异性能归因于受控枝晶生长、适度偏析和有限Laves相形成。7. MIM-PAW工艺在Inconel 625对接接头中表现出满意的力学性能，抗拉强度随焊接电流变化，在所研究焊接条件下70 A时获得最大抗拉强度872 MPa，这些发现表明适当控制焊接电流对于实现MIM-PAW Inconel 625接头良好力学性能至关重要。
