HastelloyC276合金(1)

江苏激光联盟导读：

利用磁弧振荡法调整电弧增材制造Hastelloy c276合金的表面光洁度、树枝状组织和机械性能。关键词：HastelloyC276，电弧增材制造(WAAM)，磁弧振荡枝晶，纳米压痕

在本研究中，通过电弧增材制造（WAAM）在沉积镍基合金HastelloyC276的过程中，应用了三种不同频率（5 Hz、10 Hz和20 Hz）的磁弧振荡（MAO）。研究了WAAM沉积HastelloyC276合金试样的显微组织、表面光洁度和机械性能，并与未使用MAO的试样进行了比较。电弧运动和熔池形态的在线监测表明，WAAM过程中加入MAO可降低沉积过程中的电弧密度，从而缩短凝固时间。这反过来又提高了竣工合金的表面精度。此外，通过MAO的应用，枝晶显示出更高的生长方向变化，并减少了枝晶臂间距（DAS）。

在5Hz下的MAO似乎可以提高所生产合金的机械性能，而在10Hz和20Hz的更高频率下的应用对机械性能改善的影响不太明显。本研究增强了对WAAM制备的HastelloyC276合金的MAO加工枝晶组织发展与机械性能之间的相关性的理解，为利用MAO方法裁剪WAAM制备的合金的微观结构和机械性能提供了指导。

无孔(上)和无孔(下)EPCM的熔化过程(左:等温线，右:PCM固相分数)。模拟结果表明，凝固过程主要受传导影响;然而，固体的形状很大程度上取决于胶囊中的空气，这减少了局部区域的能量转移。同时还发现，将PCM表面与管壁的温差从5°C增加到15°C，可使凝固时间缩短25%。Archibold等人进一步研究了一种封装的硝酸钠球的热性能和熔化情况，在有空隙和没有空隙的CSP应用中，硝酸钠球作为TES的潜在选择(见图)。

1,介绍

为了减少温室气体的排放和满足日益增加的电力需求，全世界越来越需要开发低排放的能源，作为传统化石燃料的替代品。镍基高温合金通常用作发电或储存系统中各种恶劣环境中的结构材料。同时，它们也被评价为第4代反应堆的建造材料，包括超临界水冷堆(SWCR)和熔盐堆(MSR)。HastelloyC276是一种固溶体强化镍基高温合金，在恶劣的酸性和氟化盐环境中具有优异的抗氧化性和耐腐蚀性。它在环境和高温下也表现出优异的机械性能。因此，由于HastelloyC276结合了上述的良好性能，已被研究作为MSR和SWCR的候选结构材料。此外，HastelloyC276广泛应用于航空航天领域，特别是作为航空发动机部件和化学加工应用(如烟气脱硫系统)。

不同NH3/NO比下Shell UOP工艺对SO2和NObx的去除率随时间的变化。

如果向烟气中注入氨，FGD装置可以同时降低NOx。氨催化脱氮机理独立于化学吸附脱硫机理。上图显示了不同NH3/NO比率下反应器出口气体中NOx和SOx的浓度随时间的变化。出口烟气中的NOx浓度更初可能超过进口烟气中的浓度。因为元素铜在验收开始时就存在，所以氮氧化物的还原没有被催化，氨氧化也会发生。随着CuO和CuSO4的形成，NOx浓度急剧下降，逐渐接近一个依赖于流速、温度和NH4NOx比的值。可通过以下方式减少NOx的初始“滑移”：延迟向烟气中注入氨，直到铜被氧化；先将铜氧化成氧化铜；或者以硫酸盐的形式保留未生成的部分受体/催化剂。

电弧丝增材制造(WAAM)，在沉积过程中以金属丝为原料，电弧为熔合源，沉积效率高、工作环境友好、无危险粉末，与基于电子和激光的工艺相比，设备投资低。另一方面，由于沉积层厚，且在制造过程中经历了复杂的热循环和较高的热输入，WAAM制造的零件具有一些共同的特征，包括试样表面粗糙度高，成分偏析明显，残余应力大等，微观结构的非均质和各向异性以及机械性能的相关变化，决定了WAAM材料和组件的更终性能，这通常限制了它们在生产状态下的直接应用。因此，对WAAM材料的制造工艺和制造后工艺的优化是提高WAAM材料整体性能的关键。

(a-b)模拟结果与(c-d)实际组分对IN718电子束熔炼过程翘曲的影响进行了比较，结果与(c-d)模拟结果吻合较好。

一般来说，残余应力的研究仅限于简单的几何形状，例如在AM制造的样品和模型中使用薄壁，这是由于在大型结构中使用完全耦合的热-机械模型的高计算成本。模型计算结果与实验测量结果吻合较好。在薄壁结构中，根据测量点的高度和扫描模式，应力也随着更终建造高度的增加而变化，因为纵向应力从拉伸变为压缩，并可能向底部再次转换为拉伸。对于法向(建筑方向)，由于底板受弯曲变形的约束，残余应力在墙体中心处为压应力，逐渐向边缘处为拉应力，进一步的建模表明，边缘处存在高拉应力是由于底板对薄壁弯曲的约束，而不是由于熔体池尺寸的增大。

WAAM过程中熔池的凝固在很大程度上受温度梯度的控制，晶粒的形核和长大行为对更终的组织和性能有很大的影响。焊接电弧电流及其固有磁场产生电磁洛伦兹力，产生自激搅拌效应，使熔池内流体流动。在以往的研究中，对外磁场在WAAM中的应用进行了探索，结果表明，外加磁场会增强洛伦兹力，并通过磁弧振荡(MAO)增强人工搅拌。在传统的凝固(铸造)过程中，外加交变磁场可以诱导电磁搅拌(EMS)来细化晶粒。此外，在WAAM焊接和传统电弧焊中成功应用了MAO，从而提高了各种合金的制造质量和晶粒细化，包括不锈钢、Al-、Ni-和ti合金。

例如，Sundaresan和Ram表明，在钨极气体保护焊（GTAW）过程中加入MAO可细化α-β双相Ti合金中的熔合区晶粒，这是由于在凝固过程中由于焊接池中搅拌和流体流动的增加而促进了晶粒形核活动。Wang等人发现，在使用MAO制造的Inconel 625合金的WAAM中，树枝晶细化，化学偏析减少，这有助于增强其机械性能。Ram等人报告了在GTAW过程中应用MAO后，铝合金焊缝的晶粒尺寸减小，拉伸延展性增强。这些令人鼓舞的结果表明，在凝固过程中应用MAO是细化焊缝和焊缝熔敷材料晶粒，从而改善其机械性能的一种有希望的方法。

与使用传统制造工艺的材料中常见的等轴组织不同，增材制造合金通常具有枝晶组织，并伴有优先晶粒取向。除晶粒尺寸外，枝晶形貌(枝晶臂间距、枝晶取向等)及相关溶质分布是影响增材致密化程度和机械性能的重要组织因素。之前的研究表明，采用gtaw基WAAM制备的Hastelloy C276合金具有γ-Ni基体的长条状枝晶组织，这是导致机械性能各向异性的主要原因。

通过匹配尺寸和形状，将微凝胶“对接”到模具中。

只需将微结构的大小和形状相匹配，就可以组装出高特异性的微结构。这类似于把钉子装进洞里(或把钥匙装进锁里)。目前的微加工技术允许制造具有微米级精度和复杂性的结构。因此，具有匹配尺寸和形状的高度特定的微结构可以作为构建块来组装更大的分层结构。例如，Vunjak-Novakovic和同事通过微成型技术将不同形状的微凝胶组装成一个包含匹配孔的更大的模具(如上图)。细胞植入的微凝胶以理想的几何图案“停靠”到模具中，更终用于研究各种细胞行为。

研究结果还表明，由于凝固过程中的元素偏析，在枝晶间区域形成了脆性的金属间相，这对增材制造的HastelloyC276组分的性能是有害的。除细化晶粒外，MAO的应用还可以减少不良的微观偏析和热裂的可能性，从而提高金属材料的机械性能。尽管有这些公认的优势，但很少有研究在镍基HastelloyC276合金WAAM过程中添加MAO，并了解其对生产部件的微观偏析、枝晶组织和机械性能发展的影响。为此，本研究旨在了解在gtaw基WAAM过程中应用MAO对HastelloyC276合金的宏观组织、显微组织和机械性能的影响。

2.材料和方法

2．1．材料制造

沉积系统建立在一个已建立的WAAM系统之上，该系统由GTAW焊接系统、保护气体单元、送丝器和衬底移动装置组成。在WAAM系统中加入了本课题组研制的由电磁线圈和振荡控制装置组成的MAO系统。磁场力(F )即“洛伦兹力”，是焊接电弧电流(I )与外部磁场(B )的向量积，即F =I × B 。外部线圈定义了F 和B 的方向，并决定了振荡模式。

图1 (a)纵向振荡，(b)横向振荡，(c)圆振荡时电磁线圈的位置。

图1总结了在焊接系统中加入电磁线圈的三种类型的安排。这些排列导致了三种不同的可能的应用磁场方向:(1) B 平行于旅行方向(x )应用一个电磁线圈产生的横向振荡弧(图1),(2)B 横向平行(y )用一个电磁线圈引起的纵向振动弧(图1 B)和(3)B1 ∥x 和B2 ∥y ,用两个电磁线圈诱导电弧的圆周振荡(图1c)。本研究选择圆弧振荡模式。由于电弧振荡幅度过大，导致电弧不稳定，导致电弧珠粗糙，烧穿，因此选择了振幅较低的5v电压。之前的研究表明，5 Hz和10 Hz的MAO频率对改善WAAM过程的结构均匀性和减少热积累是有效的。在目前的工作中，设置了更宽的电信号范围，产生5 Hz、10 Hz和20 Hz的MAO频率。

表1列出了本研究中使用的HastelloyC276线(直径1.2 mm)的化学成分。在振荡频率分别为5 Hz、10 Hz和20 Hz的条件下，在尺寸为205mm× 105 mm× 6 mm的4种相同的平面碳钢基体上沉积了4种15层薄壁结构。4个样品的WAAM工艺参数保持不变，电弧电流为140 A，移动速度为100 mm/min，送丝速度为1000 mm/min。GTAW焊枪以10 L/min的流速使用高纯氩(99.99%)，并使用尾部保护气体，以尽量减少沉积零件的氧化。

表1 本研究中使用的HastelloyC276线的化学成分。

灭弧后，在每层冷却过程中，增加氩气流量30 s。在下一层沉积之前，任何飞溅的颗粒都要用不锈钢刷去除。在层间沉积之间大约间隔60秒。没有采用其他方法来控制层间温度。采用fira655sc热成像相机，测量范围为 40-2000℃，波长范围为7.5-14 m，捕捉成形件的温度场，测量凝固时间。另外，用另一台焊接摄像机(Xiris)观察了沉积过程中的电弧和熔池行为。摄像机水平安装在焊接电弧的同一水平面上，这是更常用和被认为是观察电弧行为的更佳角度。

2．2.材料表征

用激光表面扫描仪对四种沉积样品的表面光洁度进行了评价。利用MATLAB软件对扫描结果进行处理。计算表面粗糙度的标准差(SD)，并将其用于量化表面光洁度质量。金相标本提取- z平面的每个沉积样品,如图2所示,并且按照标准程序准备包括装配、抛光和electro-etching 6 V直流2 s 5毫克草酸组成的解决方案,在室温下15毫升盐酸。显微照片用徕卡DM6000光学显微镜(OM)拍摄。用扫描电子显微镜(SEM JEOL JSM-7001F)和能量色散x射线光谱仪(EDS, Oxford Instruments X-Max 80)进一步观察了微观结构。采用x射线衍射法(XRD)，以Cu Kα (λ = 1.5418 )为辐射源，分析了其相组成。

图2 冶金和机械试验试样提取示意图。

在金相试样中部的枝晶间和枝晶核心区进行纳米压痕，获得纳米硬度(H)和杨氏模量(Er)。在Hysitron TI 950 Triboindenter上进行了纳米压痕试验，压痕载荷为7 mN，步长为7 m。维克氏硬度测量的相同的金相试样,遍历从上到下的垂直方向和水平方向的宽度(见图2),使用Matsuzawa Via-F自动维氏试验机的加载500 N,步长0.5毫米,和一个缩进住15秒的时间。在移动方向(x-y面)，从4个试样中各提取7个拉伸试样，距离侧面区域15mm，如图2所示。在Instron**试验机上进行了恒定的十字头位移速率为1 mm/min的拉伸试验。用视频拉伸仪测量了拉伸加载过程中的位移。

3,结果与讨论

图3显示了在不同频率(5、10和20 Hz)下，在没有MAO和有MAO的情况下，在沉积过程中捕捉到的一系列焊接电弧轮廓。如图3a所示，在没有MAO的情况下，WAAM的弧形轮廓稳定且静态。相反，在不同频率的MAO作用下，沉积过程中出现了动态振荡弧(图3b-d)。在当前施加的圆振荡模式下，当外加磁场使焊接电弧偏转时，等离子体电弧的方向同时发生变化。因此，电弧以圆形模式移动，并在熔融金属上产生额外的搅拌。当频率从5 Hz增加到20 Hz时，偏转角度变化不大(~10°)。随后，对于所有频率，随着MAO的加入，弧长略有增加。Corradi等人也发现了应用MAO后钢和钛合金材料WAAM沉积时的振荡弧型。这些结果证实了在WAAM过程中，MAO的应用确实引起了电弧运动。在接下来的章节中，将进一步研究MAO在WAAM中的应用，以讨论其对熔池行为、热演化、宏观组织和微观组织以及生产的HastelloyC276机械性能的影响。

图3 沉积过程中的电弧行为:(a)无MAO;MAO在(b) 5 Hz;(c) 10赫兹;(d) 20hz。

3．1.熔池的性能

图4显示了第五层沉积过程中捕捉到的典型熔池行为(为了排除前几层中的基质稀释效应。在四种沉积条件中，在没有MAO的样品中，从正面观察到更窄的焊接熔池，如图4a所示，用ImageJ软件测量得到的熔池长度为17.7±0.4 mm。在5 Hz、10 Hz和20 Hz频率下，熔池长度分别为19.2±0.4 mm、21.1±0.4 mm和21.9±0.4 mm。此外，在没有MAO的情况下，熔池中电弧热暴露位置一致，在焊弧下方出现下沉变形(图4a)。然而，随着MAO的加入，电弧暴露位置周期性振荡，导致热加载面积增大，熔池长度增加。从图4b-d可以看出，熔池的下沉变形也随着弧度的偏转而发生位移。据报道，这种摆动行为引起了物理搅拌，并增加了熔池中的对流流动，导致了相对较大的整体温度梯度和较短的凝固时间。

图4 第5层沉积过程中记录的典型动态熔池形貌:(a)无MAO;MAO在(b) 5 Hz;(c) 10赫兹;(d) 20 Hz。

HastelloyC276的液相温度范围为1323-1371℃。基于使用热感摄像机的观察(见典型的快照记录组件的温度分布在附录图A1)的沉积,在凝固冷却速率没有MAO约160.3℃/ s,远低于229.6℃/秒的记录在应用MAO 5赫兹。当MAO频率增加到10 Hz和20 Hz时，凝固速率分别降低到177.8℃/s和180.5℃/s。值得一提的是，随着MAO频率的增加，凝固时间也有所增加，而不是之前报道的的减少。频率(10和20 Hz)随凝固时间的增加而增加的现象被认为与本工作中使用的低振幅磁场有关。因此，与低频率(5 Hz)相比，高频率的MAO引起了更集中和更高的热输入密度。在较高的频率下，在振荡周期中，流体流动方向的反转时间较短，从而导致焊接池中搅拌液体的速度较低，从而降低磁场的有效性。如图3、图4所示，在当前GTAM模式下，MAO的应用对金属液滴尺寸没有明显的影响，这是因为所使用的电弧偏转角较小，磁功率也较低。

图A1 典型快照显示了在WAAM过程中由热相机拍摄的组件的温度分布。

３．２． 表面粗糙度和几何测量

用激光传感器对四个样品的表面光洁度进行了扫描。为了限制检测噪声，扫描区域被选择在距离沉积层的起始和底部15毫米的地方，因为电弧的启动和熄灭，它们的尺寸不稳定。表面粗糙度(Rs)扫描结果如图5所示。结果表明，在3种不同的频率下，未添加MAO的样品中Rs的SD值从~200 μ m下降到~145 μ m ~ ~160 μ m。这证明了MAO对提高waam材料表面光洁度的能力。熔敷材料的表面粗糙度受填充丝、保护气体、走线速度(TS)、送丝速度(WFS)、WFS/TS (WFS/TS)、热积累和凝固时间等工艺参数的影响。

图5 不同条件下沉积材料的表面粗糙度曲线:(a)无MAO;和MAO (b)在5hz;(c) 10 Hz;(d)在20 Hz。

由于四种试样的起始丝和沉积参数一致，因此可以认为，MAO细颗粒引起的熔池凝固时间的缩短是导致r含量降低的主要原因。综上所述，MAO缩短了凝固时间，促进了对熔池中溢流的控制。此外，少量的热积累有利于降低MAO刺样品的表面粗糙度。使用MAO时，电弧的摆动行为及其较大的长度可以降低输入热密度，从而可能降低熔池的平均温度，从而减少热积累。较短的凝固时间和较少的蓄热可以减少熔池的溢流，从而降低表面粗糙度。另一方面，磁搅拌作用对熔池表面粗糙度也有影响。搅拌效率取决于熔融金属的惯性和黏度。

总的来说，磁力搅拌提高了墙面光洁度。注意，样品沉积在5 MAO的Hz显示更低的Rs（~145）m），但表面粗糙度的改善与MAO频率的增加不呈线性关系（图5）。进一步提高磁搅拌10赫兹的频率和20 Hz似乎温和减少凝固速率,表明搅拌效率降低(3.1节)，表面粗糙度略有增加。然而，在10 Hz和20 Hz条件下沉积的样品的Rs值仍较低，为~152 ~160 μ m。考虑到表面粗糙度的尺度，10 Hz和20 Hz的条件差异不显著。实验结果表明，5hz的MAO电极频率是提高表面光洁度的更佳频率，表明5hz是目前实验条件下提高表面光洁度的更有效频率。提高了沉积层的表面精度，有利于稳定沉积，减少了后加工，因此MAO的应用有利于提高WAAM加工精度和稳定性，提高更终零件质量。

Cr-l合金的显微组织。5Mo-lW钢(热6455)在不同温度下时效1000小时，在50% HNO3中电解腐蚀，极性相反。

冷轧12Cr-1.5Mo-lW钢在不同温度下时效后的组织如上图a-d所示。随着时效温度提高到700℃(1290 F)，显微组织是稳定的。700℃时，晶内析出相有溶解现象，晶界析出相有粗化现象，但在此温度下没有明显的微观结构变化。经x射线衍射鉴定，析出相主要为M23C6。在725℃(1340 F)，可以观察到再结晶和沉淀粗化，这两种效应都随着温度的升高而加速。

沉积合金在所有四种条件下的横截面显微图如图6所示。确定了沉积材料的总壁宽(TWW)和总壁高(TWH)参数(图6)，结果如表2所示。与未添加MAO的样品(TWH = 16.5 mm和TWW = 13 mm)相比，添加MAO的样品高度增加，宽度减小。在3个MAO样品中，5 Hz样品的TWH更大、TWW更低，而20 Hz样品的TWH更低、TWW更大的趋势相反。由于冷却速度通过较高的散热基板,**个几个淀积层有更高或不同层带间距,但随着继续沉积,层的形态和高度乐队变得稳定。此外，除前几层外，未添加MAO的样品(见图6a)呈现出相对平坦、浅层条带;而MAO样本通常有更厚的条带。在MAO样品中，层带间距的增加与TWH的增加相一致。

图6 横断面显微图显示了沉积样品在不同条件下的几何形状。TWW(总墙宽)和TWH(总墙高)显示。相邻层边界之间的频带间距也被标记出来。

表2 4个试样的总壁高和总壁宽的测量参数。

来源：Tailoring the surface finish, dendritic microstructure andmechanical properties of wire arc additively manufactured Hastelloy C276 alloyby magnetic arc oscillation， Additive Manufacturing，

参考文献：K.S. Bal, J.D. Majumdar, A.R. Choudhury，Study ofintergranular corrosion mechanism of fiber laser welded 3-mm-thick HastelloyC-276 sheet，Corros. Sci., 157 (2019), pp. 406-419