通过双弧调制等离子弧熔覆技术调控Inconel 718涂层的界面微观结构及力学性能

《Applied Surface Science》：Regulating the interfacial microstructure and mechanical properties of Inconel 718 coatings via Dual-Arc Modulated plasma arc cladding

本研究提出双弧调制策略，通过替换部分转移弧电流为非转移弧电流，减少基体热输入23.3%，同时细化熔池结构，提升表面显微硬度6.6%。基于磁流体动力学多物理场模型，结合实验验证，揭示了双弧耦合作用机制及其对热传递和凝固行为的影响。

　　

赵伦武|孔宇|王江龙|黄海红

合肥工业大学机械工程学院，中国合肥230009

摘要

等离子弧熔覆（PAC）被广泛用于表面改性；然而，其固有的高热输入通常会导致熔池过热、晶粒粗化以及残余应力积累，最终降低涂层的完整性和机械性能。为了实现对表面热传递的更精确控制，我们提出了一种双弧调制策略，即用非传输弧电流（NTAC）替代部分传输弧电流（TAC）。这种方法能够在保持熔池特性相当的情况下显著减少热输入。建立了一个包含磁流体动力学（MHD）效应的多物理模型来解析控制表面能量沉积的耦合热流体-电磁现象，并通过弧压场测量进行了实验验证。结果表明，将NTAC从20 A增加到100 A可使TAC从120 A减少到80 A，从而将基材的热输入降低23.3%。当应用于Inconel 718熔覆时，该策略改善了固化界面，使主枝晶臂间距（PDAS）减少了11.3%，表面显微硬度提高了6.6%。本研究通过精确的双弧等离子调制提供了一个可控的框架，用于调节镍基超合金涂层的界面固化行为并提高其表面机械性能。

引言

等离子弧熔覆（PAC）是一种高能表面改性技术，可将金属或陶瓷材料沉积到部件上，以提高耐磨性、耐腐蚀性和高温性能[1]。由于其限制性的等离子弧和高热效率，PAC能够实现牢固的冶金结合、低孔隙率和高沉积速率。这使得它成为传统气体钨弧工艺的一种成本效益更高的替代方案，在许多情况下也是基于激光技术的可行选择[2]、[3]。因此，PAC已广泛应用于表面强化、重型部件的寿命延长以及采矿[4]、石油化工和发电[5]行业的零件修复。PAC在工程化具有定制微观结构的坚固表面层方面的潜力，持续引起了表面科学和涂层领域的兴趣。

尽管具有这些优势，PAC本身会向基材引入大量热量，这强烈影响了表面微观结构和涂层完整性的演变[6]。过高的热输入与冷却速率降低[7]、晶粒粗化[7]、脆性金属间相的形成[8]、热裂纹[9]、几何变形以及基材热影响区（HAZ）的不希望的变化[10]、[11]、[12]有关。对于Inconel 718等合金，长时间的热暴露还可能进一步引发液化裂纹和元素偏析，从而影响涂层性能和服务可靠性[9]。因此，有效的热管理对于获得精细的微观结构和确保PAC沉积表面的功能性能至关重要。

大多数现有的热输入控制策略依赖于电流调制或增强散热。脉冲等离子弧（P-PA）技术可以通过调整脉冲参数来实现能量传递的时间调制[13]、[14]、[15]；然而，为了稳定弧操作和粉末熔化所需的高峰值电流仍然是不可避免的。因此，P-PA主要是在时间上重新分配热量，而不是从根本上改变熔池和基材之间的弧能量分配，从而限制了其在界面热积累方面的有效性。此外，P-PA通常需要高性能的电源和精确的脉冲控制，这增加了运营成本，在某些情况下还会降低沉积效率。另外，层间冷却[16]、[17]、[18]、[19]以及使用水射流[20]、[21]、压缩空气[22]、[23]、[24]、低温介质[25]、[26]或浸渍方法的强制冷却通过加速热量提取来抑制热积累。这些方法作用于弧-材料相互作用的下游，不能直接调节弧-基材的能量耦合。此外，强制冷却需要额外的设备和运营费用，而基于浸渍的冷却通常仅限于小型部件，从而限制了其工业应用性。因此，基于电流调制和辅助冷却的策略都无法将传递给基材的热量与熔化原料所需的热量分开，这对等离子弧熔覆中的精确热调节构成了根本性限制。

克服这一限制需要一种能够部分分离传递给基材的弧能量与用于熔化填充材料的热量的工艺架构[27]。旁路电流方法是一种方法；然而，它依赖于填充丝作为次级电极，这限制了其在粉末供给系统中的适用性，并降低了材料的灵活性[27]、[28]。相比之下，等离子弧系统本质上支持双电流操作——传输弧、非传输弧以及结合这两种模式的操作[29]——提供了一种更灵活的方式来独立调节热流和沉积行为。

尽管之前已经探索了结合等离子弧（CPA）的双弧特性作为调节弧行为和热输入的手段，但相关研究的范围和深度仍然有限。现有的数值研究主要由Meng等人[30]、[31]报道，主要关注了工艺参数对宏观等离子体物理场（如喷射温度和速度分布）的影响。然而，这些研究主要关注参数效应，并没有系统地研究传输弧电流（TAC）和非传输弧电流（NTAC）之间的耦合磁流体动力学相互作用。因此，控制弧-基材能量耦合的潜在机制、热解耦行为及其与熔池演变和微观结构依赖的机械响应之间的联系仍不够清楚。特别是，关于NTAC如何修改弧压、电流密度分布和PAC中的热传递路径的定量见解仍然缺乏，这限制了有针对性和基于物理原理的热输入控制策略的发展。

在这项研究中，提出了一种热输入调制策略，即用NTAC替代部分TAC来在相似的沉积条件下调节基材的能量传递。开发了一个基于磁流体动力学（MHD）的多物理模型，以解析CPA中的TAC-NTAC相互作用，并通过热解耦框架量化它们各自的热输入贡献，而不是将弧视为单一的等效热源。该模型通过Inconel 718的PAC沉积进行了实验验证，验证指标包括弧压、熔池几何形状、微观结构特性和显微硬度。结合数值和实验结果阐明了PAC中弧-基材能量解耦的物理机制，并展示了一种实用的方法来调节热输入，以控制稀释和微观结构的演变，从而将现有的双弧概念从参数控制扩展到基于机制的过程设计。

部分摘录

基本假设

PAC中的等离子弧由电子、离子、中性粒子和光子组成，涉及复杂的热传递和流体动力学过程。为了简化这种复杂焊接现象的建模，将等离子体视为连续介质，并使用磁流体动力学（MHD）进行描述，基于以下PAC过程的基本假设[32]：

• (1)
  计算域是轴对称的，因此在二维坐标中建模。
• (2)
  等离子弧处于

材料和设备

PAC实验使用商用PTA-400EA-800ST等离子系统（中国武汉材料保护研究所）进行。关键工艺参数，包括弧电流、行进速度和粉末进料速率，在表2中总结。进料材料是Inconel 718粉末（中国Avimetal AM Tech有限公司），其化学成分在表3中提供。粉末的粒径分布范围为53至150微米，平均粒径为

模型验证

弧压被广泛用作验证等离子弧模型的代表性且可通过实验获得的参数，因为它反映了等离子体温度、流速、电流密度分布和弧柱内电磁力耦合的综合效应[36]、[37]、[38]、[39]。为了验证所建立的多物理场模型的准确性，本文进行了实验测量，以获得在固定NTAC I下的CPA压力分布

结论

本研究使用双弧调制策略研究了等离子弧熔覆（PAC）中的表面能量沉积和微观结构演变，该策略将非传输弧电流（NTAC）与传输弧电流（TAC）分离。采用了一个多物理磁流体动力学（MHD）模型，并通过弧压测量和微观结构表征进行了验证，以阐明TAC-NTAC相互作用如何调节等离子体行为、热传递和基材上的固化

CRediT作者贡献声明

赵伦武：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、调查、概念化。孔宇：撰写——原始草稿、可视化、概念化。王江龙：撰写——原始草稿、可视化、软件。黄海红：撰写——原始草稿、监督、资源、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究没有收到公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。作者衷心感谢戴书森先生、盛光明博士和曹东升博士在实验工作方面的宝贵帮助。