通过原位超声振动辅助切割技术，对激光沉积的Inconel 625合金涂层进行加-减强化混合制造工艺的研究

《Surface and Coatings Technology》：Investigation on additive-subtractive-strengthening hybrid manufacturing technology for laser deposited Inconel 625 alloy coatings via in-situ ultrasonic vibration assisted cutting

　　李东辉|王志超|杨晓伟|刘书坤|李世轩|刘哲|刘国亮|孙瑞
青岛理工大学机械与汽车工程学院，中国山东省青岛市266033

摘要
为了解决激光沉积的Inconel 625超级合金中严重的表面阶梯效应和内部残余拉应力积累问题，以及传统沉积-加工方法所固有的低效率和易损伤性，本文提出了一种新型的原位超声振动辅助的增材-减材强化混合制造工艺。该工艺通过利用沉积诱导的热效应与超声能量场的协同作用，实现了Inconel 625沉积层的高效加工和强化。实验结果表明，原位超声振动辅助加工（包括正交车削和侧铣）在材料去除过程中通过微锻造和高频摩擦抛光效应显著诱导出高密度的位错。因此，微观结构从粗大的柱状树枝晶演变为细小均匀的等轴晶粒。原位超声振动辅助正交车削在引入位错方面效果最为显著，从而显著提高了压缩应力的大小，表现出最佳的显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性。具体而言，压缩残余应力达到了-630.57 MPa，显微硬度提高到221.45 HV，磨损损失比非超声辅助工艺减少了约77%，腐蚀电流密度降低到1.41 × 10^-5 A/cm^2。本研究证实了原位超声振动辅助加工在提高Inconel 625涂层表面完整性和机械性能方面的显著优势。

引言
基于镍的超级合金Inconel 625因其优异的高温耐性、抗氧化性、高强度和在极端环境下的耐腐蚀性，被广泛用于航空航天发动机部件的制造和修复、海洋工程压力结构以及核能工业的关键部件[1][2][3]。该合金主要由Ni、Cr、Mo和Nb组成。在实际工程应用中，Inconel 625合金不仅需要承受高速气流侵蚀或沉积介质引起的机械剥落（典型的失效模式是磨料磨损和热机械疲劳），还经常面临高压氯化物离子环境中的电化学侵蚀（点蚀和缝隙腐蚀）[4]。对高性能复杂部件日益增长的需求凸显了传统制造方法的局限性。传统制造方法受到材料利用率低、加工周期长和成本高的限制。因此，研究人员被迫探索更高效的制造技术[5][6]。增材制造技术，特别是激光金属沉积，由于其高材料利用率、接近净形状的形成能力和优异的冶金结合特性，为制造复杂的Inconel 625部件提供了有希望的解决方案[7][8]。尽管激光沉积在制造Inconel 625合金方面具有巨大潜力，但仍存在几个亟待解决的关键挑战。激光熔覆过程中的非平衡快速凝固会导致熔池流变不稳定和严重的热应力演变，从而使Inconel 625涂层容易产生宏观结构缺陷，如孔隙、未熔合和裂纹。此外，Inconel 625合金含有高含量的难熔元素（如Nb和Mo），快速加热和冷却速率（高达10^3–10^5 K/s）会导致激光沉积过程中严重的树枝晶偏析，从而在枝晶间区域析出硬而脆的Laves相和δ相[9][10][11]。这种微观结构的异质性，加上沉积过程中的循环热冲击，会导致沉积层内过量的残余拉应力积累。这种现象不仅降低了涂层的疲劳寿命，还显著增加了其开裂的敏感性[12][13]。此外，增材制造的金属部件通常表面质量较差，这意味着初始微观形貌无法直接满足精密配合的严格要求。此外，该过程中的快速热循环会导致复杂的残余应力和宏观变形，使部件偏离设计公差。因此，后续的材料减材加工对于实现工业应用所需的尺寸精度和装配精度是不可或缺的[14][15]。

为了减轻激光沉积涂层的固有缺陷，已经进行了大量关于工艺优化和辅助能量场辅助的研究。吴等人[16]优化了激光沉积Inconel 625涂层过程中的线能量密度和粉末进料密度，在线能量密度为10.8–14.4 W·min/mm、粉末进料密度为0.125–0.16 g/mm的范围内获得了晶粒细密、硬度高且耐磨性优异的高质量涂层。季等人[17]系统研究了通过高速激光熔覆Inconel 625对25CrMo4轴钢的再制造过程，通过正交实验确定了最佳工艺参数：激光功率为650 W、扫描速度为3.52 m/min、粉末进料速率为17.5 g/min。在这些条件下，实现了热损伤最小化和良好冶金结合的平衡。张等人[18]提出了一种利用混合超声-电磁场的新型激光熔覆技术，阐明了熔池内的非线性协同机制，其中电磁诱导的洛伦兹力增强了超声空化和声流，从而增强了马兰戈尼对流和材料传输。实验结果表明，该工艺将孔隙率降低到0.148%，完全消除了界面裂纹，并将表面粗糙度降低到4.069 μm。梁等人[19]研究了交变磁场辅助激光熔覆的热流行为和微观结构特性，交变场诱导的洛伦兹力产生了强烈的电磁搅拌，使熔池中的流速提高了26.7%。李等人[20]开发了一种混合热-超声场辅助激光熔覆技术，实验结果表明，这种混合配置（300°C预热和320 W超声）实现了热效应和机械效应之间的非线性协同，将裂纹密度和孔隙率分别限制在0.07%和0.06%。

尽管工艺参数优化和外部场辅助技术可以有效改善微观结构，但激光沉积的非平衡快速凝固特性使得完全消除孔隙、未熔化颗粒和微裂纹等冶金缺陷非常困难[21]。此外，增材制造金属的几何精度和表面光洁度受到其固有的阶梯效应的限制。因此，结合后续的表面强化和减材加工对于克服单独增材制造的局限性至关重要，从而确保完全致密化和高精度。

激光沉积涂层的后处理表面强化可以平滑表面、消除内部缺陷，并将有害的残余拉应力转化为有益的压缩应力。崔等人[22]对激光沉积的CrMnFeCoNi高熵合金进行了超声表面滚压处理，形成了表面纳米晶层，硬度提高了50%，耐磨性显著增强。张等人[23]对选择性激光熔化的316L不锈钢进行了超声纳米晶表面改性处理，显著提高了显微硬度和屈服强度，形成了约400 μm深的加工硬化层。徐等人[24]采用超声喷丸处理解决了Ti6Al4V/Al6.21Cu合金层间的孔隙和粗大微观结构问题，孔径从115 μm减小到25 μm，过渡层中的晶粒从粗大的柱状转变为等轴晶粒，平均晶粒尺寸从55.3 μm减小到29.4 μm。近年来，增材制造的原位强化方法（包括原位合金化[25]、滚压[26]、氧化[27]和热处理[28]）得到了广泛的发展和应用。这些技术在沉积或后续冷却阶段对沉积层进行特定的强化处理，以优化微观结构并提高机械和功能性能。然而，很难有效解决增材制造中几何精度和表面质量差的问题。在原位强化过程中，额外的热输入、机械作用和化学反应往往会导致更复杂的热应力分布，从而加剧组件的变形和尺寸偏差。

后处理加工是实现激光沉积涂层高配合精度的主要方法。然而，Inconel 625是一种极难切割的材料，其严重的加工硬化倾向、低热导率以及硬质碳化物和金属间化合物的存在导致传统切割过程中切削力大、切削温度高和工具磨损严重。此外，该过程容易在加工表面产生有害的残余拉应力和变形层[29][30]。为了提高切割性能，研究人员使用了超声振动进行增材制造金属的切割。基于间歇切割机制，超声振动辅助切割已被证明可以有效降低切削力，促进切屑断裂并抑制积屑边的形成[31][32]。目前，工业界和学术界的主流工艺是在激光沉积完成后将工件冷却至室温，然后通过减材加工去除表面缺陷以确保尺寸精度[33]。然而，这种沉积-冷却-加工的逐步过程切断了增材和减材过程之间的热力学联系，导致生产效率低和能源浪费，同时未能利用激光沉积的余热来提高材料的可加工性。此外，研究人员将增材制造与减材制造相结合，开发了增材-减材混合制造技术[34][35]。然而，该技术中的减材操作目前仅限于增材过程后的顺序切割，没有重新夹紧，导致工艺协同作用不足和同步加工的局限性。

为了解决这些限制，本研究提出了一种基于原位超声振动辅助切割的新型增材-减材强化混合制造工艺。具体来说，超声振动辅助切割在激光沉积的Inconel 625合金涂层的冷却过程中进行。在此过程中，超声振动的微锻造和高频摩擦效应可以与残余热场产生协同作用，从而同时实现Inconel 625合金涂层的高效切割和强化。这种复合工艺可以应用于旋转体或轴部件的制造和修复，例如海洋工程设备中大型泵轴的增材制造和表面强化，以及航空发动机高压涡轮转子轴的损伤修复。本文不仅为解决高性能镍基超级合金沉积层强化和加工技术的复杂制造问题提供了创新方法，也为增材和减材混合制造技术的高端应用提供了重要的工艺参考。

材料
实验中使用的基底是直径为20 mm、长度为300 mm的圆柱形45钢，其化学成分列于表1中。在激光熔覆之前，基底经过车削并用无水乙醇清洗以去除氧化物和污染物。作为熔覆粉末使用了Inconel 625合金，粉末的粒径范围为50–150 μm。其化学成分和表面形态分别列于表2和图1中。

沉积和加工
实验
XRD和EBSD分析
图6显示了在不同加工条件下沉积在Inconel 625材料上的层的XRD图案。结果表明，在原位切割的共同作用下，所有样品均保持稳定的面心立方（FCC）γ-(Fe,Ni)结构，表明没有发生显著的相变。与传统切割中观察到的明显晶体纹理相比，原位加工中的优选晶格取向减弱了。

结论
本研究提出了一种基于原位超声振动辅助切割的Inconel 625合金涂层的新颖集成增材-减材强化混合制造工艺。对通过激光-超高频感应混合沉积制造的涂层进行了系统的后处理和原位加工策略研究。主要结论总结如下：
(1) 原位超声振动辅助切割将粗大的柱状晶粒转变为细小的等轴晶粒，显著提高了涂层的性能。

作者贡献声明
李东辉：撰写——原始草稿、可视化、研究、正式分析。
王志超：可视化、研究、正式分析。
杨晓伟：研究、正式分析。
刘书坤：研究、正式分析。
李世轩：软件。
刘哲：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。
刘国亮：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。阮松：负责论文的撰写、审稿与编辑工作，以及项目的监督和资金筹措。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52375446、52305157、52105456）、山东省自然科学基金（项目编号：ZR2023QE021）以及山东省青年创新团队发展基金（项目编号：2024KJH021）的财政支持。