采用内激光送料激光熔覆沉积技术在K4002镍基超级合金表面熔覆Inconel 625合金的过程研究：实验与多物理场仿真

《Optics & Laser Technology》：Process investigation on Inconel 625 cladding onto K4002 nickel-based superalloy by inside-laser material-feeding laser cladding deposition: experiments and multiphysics simulations

本研究采用内激光送粉激光熔覆沉积（IMF-LCD）技术，在K4002镍基超合金基体上制备Inconel 625涂层。通过正交实验分析工艺参数对涂层形貌的影响，并建立三维瞬态热流耦合模型模拟熔池行为。结果表明，激光能量密度和扫描速度对形貌影响显著，熔池内Marangoni效应引起的二次对流导致波状熔合线，温度梯度分布与实验观测一致。涂层与基体冶金结合良好，未发现裂纹，晶粒从基体的平面状向涂层的等轴状演变，显微硬度呈现梯度分布。

　　

王萌|刘璇|贾洪和|金洪喜|孔英杰|魏艳红|史拓

南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京211106，中国

摘要

本文研究了通过内激光送粉激光熔覆沉积（IMF-LCD）技术在K4002超级合金上制备Inconel 625合金时，工艺参数对熔覆层形貌和微观结构特性的影响。采用正交实验将Inconel 625合金粉末沉积在K4002基材上，并利用极差分析和方差分析（ANOVA）方法分析了关键工艺参数对沉积层形貌的影响。开发了一个三维瞬态热流耦合模型来描述IMF-LCD过程中熔池内的热流行为，并探讨了该行为对微观结构和凝固过程的影响。研究结果表明，工艺参数的主次效应在不同形貌特征上存在差异，并观察到形成系数存在交互作用。模拟结果与实验结果高度吻合。由空心环形热源产生的两个涡流驱动的马兰戈尼（Marangoni）效应显著影响了IMF-LCD过程中的熔池内液体流动，形成了波浪状的熔合线及温度梯度。基材与熔覆层之间具有牢固的冶金结合，熔合区未出现可见裂纹。从基材到熔覆层顶部的晶粒结构分别为平面晶粒、柱状晶粒和等轴晶粒。基材的显微硬度最高，而作为过渡区的热影响区则表现出从熔覆层向基材逐渐增强的硬度。

引言

镍基（Ni-based）超级合金因其高温强度、优异的抗氧化性、抗热腐蚀性和断裂韧性而在航空、航天和工业燃气轮机制造中得到广泛应用[1][2]。它们的面心立方（FCC）相在所有温度下都保持稳定，适用于从低温到高温的极端环境。这些超级合金主要通过固溶强化获得强度，这得益于铜、铁、铬、钼和钴等合金元素的广泛溶解性。添加铝、钛和铌可进一步提升其强度。铝和钛有助于形成有序的面心立方（FCC）γ′-Ni3(Ti, Al)沉淀物，而铌则促进有序的体心四方（BCT）γ′′-Ni3(Al, Nb)沉淀物的形成，从而提供优异的高温强度[3][4]。K4002超级合金是一种镍基沉淀硬化型等轴晶粒铸造合金，具有稳定的微观结构和出色的1000°C以下的高温抗氧化和抗腐蚀性能，常用于航空航天和石化工业的热部件[5][6]。然而，由于复杂的结构和高要求的铸造工艺，铸造过程中不可避免地会产生气孔和微裂纹等内部缺陷[7][8]。

在工业中，焊接主要用于修复镍基超级合金零件的铸造缺陷[9][10]。然而，K4002合金中含有较高的Ti和Al含量，以及22%的W、Hf和Ta元素，导致其焊接性能较差。此外，由于γ′相在冷却过程中迅速析出（其晶格常数小于基体），会产生较大的收缩应力和应变，从而导致热裂纹，增加了修复难度[11]。因此，K4002也被归类为不可焊接合金。这种情况无疑降低了产品的合格率并增加了企业的成本。尽管后续处理工艺可以有效消除液化裂纹，但它们显著增加了工艺的复杂性和成本，这是不希望看到的[13][14]。因此，修复不可焊接合金零件的铸造缺陷仍然是业界面临的一个重大挑战。

激光熔覆沉积（LCD），也称为激光定向能量沉积（LDED），是一种先进的绿色激光制造技术，用于创建功能层或重塑工件。熔覆层以其低稀释率、强结合力和优异的高温性能而闻名，是通过激光、粉末和基材之间的相互作用形成的。这些特性使得LCD适用于涂层、加工和修复高价值部件，如涡轮叶片[14][15][16][17][18]。张等人[11]使用准轴粉末送粉装置通过激光熔覆修复了铸造的K447A镍基超级合金，并研究了热影响区（HAZ）中液膜的形成和破裂机制。梁等人[19]研究了凝固、微观结构变化和应力集中对镍基超级合金在定向能量沉积过程中裂纹形成的影响。康等人[17]发现，在定向能量沉积过程中，快速冷却速率和较小的激光束直径减少了热影响区和糊状区域的持续时间，从而抑制了界面处的裂纹。高等人[20]指出，预处理改变了基体的微观结构，进而改变了激光熔覆过程中的热影响区液化温度和机制。Dmitrieva等人[21]在不同熔覆参数下表征了ZhS32合金的微观结构和相组成，并研究了工艺参数对含γ′相高的镍基超级合金裂纹形成的主要影响。Bidron等人[22]研究了在低预热条件下激光熔覆过程中涂层参数对CM-247LC超级合金裂纹敏感性的影响。然而，尽管在低能量输入下裂纹敏感性有所降低，该材料仍表现出持续的热影响区裂纹现象。苏等人[23]提出了一种原位激光热处理方法，有效改变了Laves相的形貌和尺寸。通过工艺优化、微观结构调控和应力释放等方法降低超级合金激光沉积过程中的裂纹敏感性长期以来一直是研究热点和重大挑战。

内激光送粉激光熔覆沉积（IMF-LCD）是LCD技术中的一个创新方法。与传统激光束的高斯能量分布不同，环形激光束具有更快的冷却速度和更低的温度梯度，从而减少了残余应力，细化了晶粒尺寸，并促进了等轴晶粒的形成，有助于降低液化裂纹的敏感性。此外，由于激光束被粉末包围，它具有良好的粉末汇聚性、高灵活性和低干涉性，非常适合精密熔覆和修复复杂部件[24][25]。然而，目前IMF-LCD在修复超级合金部件缺陷中的应用仍然有限，因此进一步研究显得十分紧迫和有价值。

此外，在熔池凝固之前，内部流体表现出复杂的流动行为。但由于LCD过程中熔池温度高、体积小且寿命短，通过实验难以研究其瞬态热行为。数值模拟能够探索熔池内的热传递和流体流动，为理解这一过程中的热流提供了新的视角[26]。通过将工艺参数与热传递、流体流动和熔池凝固等物理过程联系起来，可以更清楚地了解内部热流行为对微观结构演变的影响。模拟结果可以优化难熔合金的熔覆过程，从而更好地控制修复过程中的热裂纹。Borhani等人[27]使用有限体积法预测了IN625熔覆过程中的凝固微观结构和熔池状态，并确定了适合实现定向凝固的区域（即取向最小的柱状树枝晶）。Yu等人[28]基于三维多相计算流体动力学（CFD）模型和流体体积方法，建立了热流体力学与Rene N5镍基超级合金LCD熔池形态演变之间的关系，为深入理解LCD的不均匀地形特征和尺寸精度控制提供了理论基础。Khomenko等人[29]建立了一个新的热传递和凝固动力学耦合模型，以优化激光增材制造过程中的微观结构。基于模拟结果，提出了一种可以改变平均晶粒尺寸的方法。Sridharan等人[30]结合实验和数值模拟方法提出了一种有效修复热部件的方法。结果表明，控制热诱导的残余应力是消除凝固裂纹和液化裂纹的关键。Liu等人[31]使用结合CFD和DEM的计算模型模拟了GH3536超级合金的L-PBF熔池演变过程，模拟结果为优化工艺提供了依据。尽管在LCD模拟领域进行了大量研究，但关于IMF-LCD过程的多物理场建模和热流行为的研究仍然有限。虽然镍基超级合金是LCD的典型材料，但镍基超级合金的种类繁多，关于K4002镍基超级合金的LCD过程的研究成果较少，尤其是IMF-LCD过程的研究更为匮乏。因此，对K4002超级合金进行IMF-LCD过程测试和数值模拟研究对于推广该技术在不可焊接合金制造中的应用具有重要意义。

在本研究中，使用IMF-LCD技术将不同参数下的Inconel 625熔覆层应用于K4002镍基超级合金基材上，开发了一个综合的多相模型来研究IN625/K4002熔覆层IMF-LCD过程中的温度场和流体流动行为，并系统分析了工艺参数对熔覆层形貌、性能和微观结构的影响。

章节片段

材料

本研究使用了粒径介于50至135微米之间的Inconel 625超级合金粉末（通过气体雾化制备）来制备熔覆结构。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，粉末颗粒呈球形，表面光滑致密，如图1所示。为了去除粉末中的水分，将其置于120℃的真空干燥箱中并在实验前保持4小时。

作为基材选择的K4002铸造镍基超级合金具有...

建模假设

鉴于激光、粉末和基材之间的复杂相互作用，为了简化数值模型，必须做出以下建模假设：

(1) 粉末颗粒在子网格尺度上被建模为拉格朗日颗粒，即颗粒尺寸远小于网格尺寸。

(2) 粉末颗粒以指定的初始速度被推进，并在飞行过程中受到重力加速度的作用，同时忽略了颗粒间的碰撞。

(3)...

结果与讨论

图7显示了每种IMF-LCD参数设置下的单道沉积和熔融过程。可以看出，熔覆层的表面相当光滑。对熔覆层的渗透测试未发现任何表面裂纹，这表明IMF-LCD有效防止了熔覆层中的表面裂纹缺陷。

所有试样的六项测量结果列在表5中，相应的截面形态如图8所示。

结论

本研究采用内激光送粉激光熔覆沉积（IMF-LCD）方法将IN625粉末沉积在K4002镍基超级合金上。通过正交实验设计研究了工艺参数对熔覆层形貌特性的影响，并进行了CFD模拟以阐明IN625/K4002熔覆层IMF-LCD过程中的热流行为。

CRediT作者贡献声明

王萌：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件应用，方法研究，实验研究。刘璇：撰写 – 原稿，软件应用，实验研究，数据管理。贾洪和：方法研究，实验研究，数据管理。金洪喜：方法研究，数据管理。孔英杰：软件应用。魏艳红：指导，概念构思。史拓：概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

非常感谢江苏省无锡工业创新研究院对这项资助研究的强烈支持。