通过低热输入TIG冷焊电弧增材制造调控GH4169高温合金的微观组织与力学各向异性

《Journal of Alloys and Compounds》：Tailoring microstructure and mechanical anisotropy in GH4169 superalloy by low-heat-input TIG cold-welding wire arc additive manufacturing

　　

摘要：

本研究阐明了通过低热输入脉冲钨极冷焊丝弧增材制造（WAAM）制备的GH4169高温合金的组织演变与力学各向异性。该工艺实现了优于其他电弧类WAAM工艺变体的强度-塑性匹配（抗拉强度866.5 MPa，延伸率18.1%），相比CMT-WAAM工艺强度提升了37%，塑性提升了57%。这种增强效果源于降低热输入有效抑制了晶粒粗化，而脉冲电流促进了成分均匀化。固有的方向性热历史驱动了强外延生长，在垂直截面上形成了柱状枝晶和强烈的立方织构{100}〈001〉，而在水平XOY面上织构则有所减弱。与此同时，Nb/Ni微偏析决定了Laves相的空间各向异性分布。因此，力学性能表现出明显的方向性，XOY面始终表现出最佳性能。这种各向异性由一系列层级机制控制，包括基于Schmid定律的垂直面织构诱导软化、柱状晶界和连续Laves网络作为优先裂纹路径，以及循环热载荷产生的残余应力。相应地，断裂模式从垂直截面上的穿晶-沿晶混合断裂转变为XOY面上以延性韧窝断裂为主。最终，优异的平面内性能得益于有利的组织趋同，其特征为晶体织构减弱、等轴晶投影几何形态以及脆性金属间化合物相的连通性降低。这些研究成果为通过针对性的热管理来降低WAAM制备高温合金的各向异性提供了重要的科学基础。

引言

丝弧增材制造（WAAM）在大型金属构件制造中应用日益广泛，这主要归因于其沉积速率高达2~10 kg/h，材料利用率超过90% [1]、[2]。此外，WAAM能够实现传统减材加工方法难以或无法实现的复杂几何形状，这使得WAAM在需要复杂镍基高温合金部件（如涡轮盘和燃烧室）的航空航天和能源领域越来越具有吸引力 [3]、[4]。GH4169是这些应用的首选材料，因为它兼具高温强度、抗氧化性和良好的焊接性 [5]。然而，传统WAAM工艺的热输入高达1.0~2.5 kJ/mm，导致热积累、粗晶组织和显著的力学各向异性 [6]、[7]、[8]。这种各向异性，例如沿构建方向（Z轴）与XY面之间抗拉强度和延伸率差异分别高达15%和40%，可能会在多轴载荷下损害结构完整性，从而阻碍了"as-built"（增材制造原生）构件在安全关键系统中的应用 [9]、[10]。因此，通过针对性的工艺优化来解决这种各向异性的组织根源，对于WAAM技术的更广泛工业应用至关重要。

WAAM构件的力学各向异性反映了逐层沉积所施加的方向性组织特征。垂直于基板方向的单向散热和高达10³~10⁴ K/m的陡峭温度梯度促进了各层之间的外延晶粒生长 [11]、[12]。这种凝固行为产生了显著的〈001〉纤维织构，强度在5~15 MRD范围内，并呈现出明显的形态对比。垂直截面（XZ/YZ）以长柱状晶为主，长径比超过5:1，而XY面则通常呈现等轴晶 [13]。相应地，WAAM镍基高温合金的力学测试结果表明，沿Z轴方向取向的试样通常比水平试样延伸率高10~20%，但屈服强度低5~15% [14]。

三种协同机制支撑了这些性能差异。首先，构建方向上的强〈001〉纤维织构使得{111}〈110〉滑移系的Schmid因子更高（约0.45~0.49），高于随机晶粒取向，这虽然有利于塑性变形，但降低了加工硬化能力 [15]、[16]。其次，水平加载会遇到更高密度的大角度晶界（HAGBs），后者通过Hall-Petch效应更有效地阻碍位错运动，而垂直加载中出现的柱状晶形态则提供更少的有效屏障 [17]、[18]。第三，循环热载荷产生的残余应力分布可能在构建方向上引入拉应力，从而降低垂直加载下的表观屈服强度。因此，大量研究致力于通过降低热输入来进行热管理以减少力学各向异性 [19]、[20]、[21]、[22]，并采用了冷金属过渡（CMT）和参数优化的连续TIG等先进焊接变体来最小化净热输入 [23]、[24]、[25]。

尽管采取了这些措施，热输入的适度降低很少能打破潜在的外延生长机制。只要方向性散热占主导地位（G > 10³ K/m），竞争性的晶粒选择将继续有利于〈001〉取向的柱状生长，维持强纤维织构（8~12 MRD），并遗留5~10%量级的残余各向异性 [26]、[27]。沉积后热处理，例如在980~1050 ℃进行固溶退火，可以均匀化微偏析并溶解有害相，但通常无法消除凝固诱导的晶体织构。因此，克服这些限制需要从被动的热输入降低转向主动的热调制，通过瞬态热循环来破坏凝固前沿的稳定性。

本文研究的TIG冷焊WAAM工艺采用了该策略，通过将填充丝与电弧解耦，并连续向熔池中输送室温丝，从而独立控制沉积速率和热输入，使净热输入接近0.6 kJ/mm。当与脉冲电流模式相结合，产生快速加热和冷却时，这种动态热轮廓可以降低固-液界面的温度梯度并促进前沿前方的成分过冷，从而鼓励柱状-等轴转变。基于经典凝固理论，我们假设这些瞬态热循环将抑制〈001〉取向的竞争性选择，增加等轴晶比例，减弱晶体织构，从而降低力学各向异性。为验证这一假设，本研究系统地比较了通过TIG冷焊WAAM工艺制备的GH4169合金在XOY、XOZ和YOZ平面上的多尺度成像（OM和SEM）、定量织构和晶界分析（EBSD和XRD）、拉伸测试和显微硬度分布，以及断口形貌，旨在建立定量的构效关系，为镍基高温合金的低热输入WAAM工艺设计提供参考。

章节摘要

原材料与基板

原材料为商用GH4169焊丝，标称直径为1.6 mm。我们采用321奥氏体不锈钢板（100×50×20 mm³）作为基板，选择该材料是因为其与高温合金的热兼容性以及与抗热裂性方面的优越性。表1总结了焊丝和基板的化学成分，通过光学发射光谱法测定。沉积前的表面处理采用60目砂轮进行打磨，以去除表面氧化层和

宏观形貌与层状结构

图3展示了通过低热输入TIG冷焊WAAM工艺制备的GH4169高温合金的宏观形貌和层状结构。可以清晰地看到明显的扫描轨迹，其特征为层内垂直平行搭接和相邻层之间的交叉堆叠。虽然三种正交截面上都存在明显的层状结构，但不同平面之间显示出显著的形貌各向异性。在XOZ平面（图3a）中，

组织各向异性的来源与织构演变

WAAM制备的GH4169合金中显著的组织各向异性，根本上源于逐层沉积固有的方向性和循环热历史。该演变机制示意于图15中。倾斜的柱状枝晶（约与XOY平面成60°）源于沿最大热流矢量方向的竞争性生长。这种倾斜是由熔池与先前沉积层之间建立的特有温度梯度驱动的

结论

本工作系统地阐明了通过新型低热输入TIG冷焊WAAM工艺制备的GH4169高温合金的组织演变和晶体织构。关键在于，本研究建立了这些组织特征与所观察到的力学各向异性之间的机理联系。主要发现总结如下：

• (1)
  TIG冷焊WAAM工艺制备的GH4169构件具有优异的力学性能平衡。抗拉强度达到866.5

CRediT作者贡献声明

陈锋：撰写——初稿、调查研究、数据整理。王磊：可视化、验证。蒲永良：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念构思。李春燕：资金获取、形式化分析。郑绍宪：方法论。朱胜利：撰写——审阅与编辑、资源提供。

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，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到中国甘肃省重点研发计划（项目编号：24YFGA034）、中国甘肃省教育厅青年博士基金（项目编号：2024QB-041）、中国兰州市青年科学家创新基金（项目编号：2024-QN-76）以及国家自然科学基金（项目编号：52261032）的资助。

陈锋|蒲永良|王磊|郑绍宪|李春燕|朱胜利

兰州交通大学 材料科学与工程学院，兰州 730070，中国