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科学新讯

第 11 卷 - 2023 年 6 月刊

增材制造金属合金的完整性增强

图1：表面完整性增强与金属和合金部件AM之间的典型集成示意图[1]。(a)RHP和LC的集成，以及(b)轧制和WAAM的集成。箭头表示喷丸(PD)、沉积头扫描(SD)和轧制的方向

图2：RHP对低合金钢基板上LC沉积的Inconel 718涂层的影响。(a)显示初始平面基板的工艺产生的弯曲的示意图，(b)在RHP工艺前后从钢试样片的后表面测量的曲率半径，(c)和(d)分别记录了LC-Inconel 718涂层在RHP工艺前后的截面SEM图像

图3：层间轧制对WAAM沉积Inconel 718壁的影响[3]。(a)示意图显示在基板上构建的Inconel 718壁及其从夹具释放后沿长度方向的曲率，(b)使用和不使用层间轧制的曲率半径比较，以及(c)和(d)分别记录了WAAM-Inconel 718壁在没有引入和引入层间轧制时的横截面显微照片

图4：层间轧制(4 kN)对LC-SS316L微观结构的影响[4]。(a)和(b)分别来自没有和有层间轧制的样品的OM图像。(c)和(d)分别来自没有和有层间轧制的样品的EBSD图像

简介

金属合金的增材制造(AM)在过去几十年广泛发展，在先进制造和再制造方面得到了工业应用，主要针对定制、复杂和/或关键的结构部件，在材料和时间消耗方面都具有更高的成本效益。与传统的散装材料制造相比，基于损坏部件的再制造最多可节省85%的成本，具体取决于材料和AM技术。现在，通过优化原料、工艺参数和后处理，可以使用直接能量沉积(DED)方法，包括激光熔覆(LC)、丝材-电弧AM(WAAM)等，制造出高质量的AM合金，例如镍基超合金、低密度高强度钛基合金、不锈钢(SS)等，其规格与传统方法制造的同类产品相当，甚至更好。

然而，由于典型的DED过程中固有的快速加热和快速冷却，成品AM组件通常具有局限性，例如表面粗糙、一定程度的孔隙率和残余拉伸应力(RTS)，这往往会降低表面质量和机械性能。因此，在传统制造中得到广泛发展的AM后工艺，如热处理、机加工、冷加工等，对于用AM方法再制造金属结构件具有重要的意义。然而，在释放RTS并改善结构性质的AM后工艺(例如热处理)中可能存在挑战，特别是在复杂结构部件的现场再制造过程中。因此，单片AM方法，例如DED与通过冷加工增强表面完整性之间的原位工艺集成，近年来引起了越来越多的关注。在这里，我们介绍了AM合金的表面完整性增强及其在单片AM工艺中的应用，并通过案例研究了解典型策略。

方法与策略

图1(a)为机器人锤击强化(RHP)与LC的典型集成示意图，图1(b)为轧制与WAAM的集成示意图。由于近几十年来自动化和数字控制技术的快速发展，这两者都可以在工业机器人和CNC(计算机数控)平台上实现。表面完整性增强工艺(例如RHP或轧制)，可以在完成整个组件后简单地应用，也可以在各层沉积后立即应用，即层间。

案例研究和讨论

Inconel 718涂层已通过LC在低合金钢(LAS)基板(AISI 4140)上沉积。平面试样片的平面内尺寸为50 mm x 50 mm方形，而试样片的厚度约为8.0 mm。LC工艺在工业机器人平台[Dura-Metal (S) Pte. Ltd, Singapore]上使用Inconel 718粉末原料进行。示意图2(a)显示了LC在LAS试样片前表面上的扫描模式。LC工艺后，将Inconel 718涂层研磨至表面粗糙度约为0.67 µm，在LAS基板上的剩余厚度约为2.0 mm。使用直径为5.0 mm的WC锤头在Inconel 718涂层上对RHP进行加工，行程沿表面的法线方向对齐。行程长度为2.0 mm，行程频率为220Hz。

在RHP工艺之前和之后，从试样片的后表面沿着纵向和横向方向测量表面高度轮廓，从中导出曲率半径并在图2(b)中显示。从图中可以看出，初始平面基板上产生了曲率，LC扫描孔道的纵向曲率半径小于横向曲率半径。这一观察结果表明，RTS已经在成品Inconel 718涂层中产生，并且纵向RTS大于横向RTS。这与在相对较快的激光扫描速率[2]下SS420试样片(具有相同尺寸)的近表面区域中激光处理产生的RTS一致。在图2(b)中还可以看到，RHP工艺在两个方向上都显著增加了曲率半径，这表明近表面区域中RHP产生的残余压应力(RCS)显著平衡了Inconel 718涂层的RTS。应该提到的是，由于工件尺寸增加，基板变形在实际的LC工艺和实际的RHP工艺中可以忽略不计；H

然而，RHP产生的RCS是提高结构部件疲劳寿命所需要的。

图2(c)和2(d)显示了扫描电子显微镜(SEM)在RHP工艺前后在Inconel 718涂层近表面区域记录的横截面图像。在涂层中观察到的孔结构(即黑点)很可能是由于LC工艺中使用的未优化激光功率造成的。然而，图2(c)和图2(d)的对比显示，RHP工艺显著降低了孔结构的密度和大小，并且在近表面区域的减少比在深层区域的减少更为显著[见图2(d)]。这些观察结果表明，RHP工艺可以闭合孔结构，尤其是在LC沉积的Inconel 718涂层的表面附近。同样，在RHP工艺后，从Inconel 718涂层表面测量的显微硬度显著增加，即从260HV增加到410HV。RTS降低、表面硬度增加以及孔结构的密度和尺寸减小证明RHP工艺显著增强了LC沉积的Inconel 718涂层的表面完整性。

对表面完整性增强横截面的微观结构研究表明，冷加工工艺(例如RHP)的有效深度通常小于 1.0 mm，而严重塑性变形深度更浅。为了提高工艺效率，提出了层间处理方法。例如，Honnige等人研究了层间轧制对WAAM沉积Inconel 718壁的影响[3]。Inconel 718丝材原料的直径为1.2 mm，基板为200 mm(长)x 64 mm(宽)x 6 mm(高)的Inconel 718板。标称壁长为180 mm，沉积头扫描速度为3.6 cm/min，送丝速度为7 m/min，层间轧制载荷为50 kN。研究发现，过大的载荷，特别是在壁高度增加的情况下，可能会导致壁与基板之间的界面破裂。示意图3(a)展示了WAAM以逐层模式构建Inconel 718壁的过程，以及在从夹具上释放构建的壁后发生的曲率。两个样品分别由9层和11层WAAM包覆层组成，分别在没有引入(高22.6 mm)以及(高20.9 mm)引入层间轧制的情况下进行了比较[3]。

图3(b)显示了引入和未引入层间轧制的WAAM沉积Inconel 718壁的曲率半径。可以看出，引入层间轧制之后，曲率半径从约4.5显著增加到约16.7 m。这一比较表明，通过引入层间轧制，在Inconel 718壁中构建的RTS得到了显著释放。图3(c)和3(d)分别是在引入层间轧制之前和之后从垂直于壁长方向的横截面记录的显微照片。照片表明，引入层间轧制之后，壁厚从约6.9 mm增加到约8.0 mm。同样，层间轧制将单层高度从约2.5 mm降低到约1.9 mm[3]。此外还发现，在WAAM沉积的Inconel 718壁中观察到的孔结构(如图3(c)中的黑色箭头所示)在引入层间轧制后消失了[图3(d)]。

Kan等人将类似的层间轧制工艺引入SS 316L的LC，他们在有及没有层间轧制的情况下，使用粉末原料，比较了10 mm高SS316L壁(60 mm x 8 mm)的LC工艺[4]。图4显示了通过光学显微镜(OM)和电子背散射衍射(EBSD)，在有和没有层间轧制的情况下，从LC-SS316L壁的横截面记录的典型显微结构[4]。图4(a)和4(b)中的明显对比是层间轧制闭合了孔结构。同样，图4(c)和4(d)中的比较表明，SS316L的晶粒结构已通过LC工艺的层间轧制得到显著细化。对于LC沉积的SS316 L，这种结构变化使硬度、屈服强度和抗拉强度分别大约增加 23％、29％和8％。

为了提高LC工艺的完整性，还引入了层间RHP来代替轧制。例如，Neto等人将层间RHP引入Ti-6Al-4V合金的LC。他们发现层间外延生长可以被中断，特别是β-晶粒外延从厘米明显减少到1~2mm[5]。这种由层间RHP引起的结构变化往往会提高LC沉积Ti-6Al-4V合金的机械性能和疲劳寿命。

总结

通过一些案例研究讨论了通过冷加工增强表面完整性和金属合金的DEDAM之间的整合。利用动态表面冲击，可以在工件的近表面区域引入塑性变形，从而导致孔隙闭合、晶粒尺寸细化、结构强化和硬化。将层间冷加工引入DED AM工艺可以有效地增强整个AM组件的完整性，而不会降低其热力学和化学稳定性，这反过来又可以在一定程度上减少额外的AM后处理的必要性。

致谢

这项工作通过结构金属合金计划(SMAP，资助编号A18B1b0061)，得到A*STAR RIE2020先进制造和工程(AME)计划资助的支持。作者还想对Dura-Metal (S) Pte. Ltd.的技术支持表示感谢。Henry K. F. Cheng博士在表面增强方面的贡献是公认的。

参考

[1] W. Y. S. Lim 等人，“Recent advances in laser-cladding of metal alloys for protective coating and additive manufacturing”(“金属合金激光熔覆在保护涂层和增材制造方面的最新研究进展”)J. Adhes. Sci. Technol. 2022, DOI:10.1080/01694243.2022.2085499.

[2] H. Liu 等人，“Laser-treatment-induced morphology and structure modifications of stainless steel: Element segregations and phase evolutions”(不锈钢激光处理产生的形貌和结构改性：元素偏析和相演化)Mater. Chem. Phys. Vol. 266, pp. 124570, 2021.

[3] J. Honnige 等人，“Study of residual stress and microstructural evolution in as-deposited and inter-pass rolled wire plus arc additively manufactured Inconel 718 alloy after ageing treatment”(“时效处理后沉积和层间轧制丝材+电弧增材制造的 Inconel 718 合金中残余应力和微观结构演变的研究”)Mater.Sci. Eng. A Vol. 801, pp. 140368, 2021.

[4] W. H. Kan 等人，“Effect of in-situ layer-by-layer rolling on the microstructure, mechanical properties, and corrosion resistance of a directed energy deposited 316L stainless steel”(“原位逐层轧制对定向能沉积 316L 不锈钢的微观结构、机械性能和耐腐蚀性的影响”)，Adv. Manufact. Vol. 55, pp. 102863, 2022.

[5] L. Neto 等人，“Mechanical properties enhancement of additive manufactured Ti-6Al-4V by machine hammer peening”(“通过机器锤击强化增材制造的 Ti-6Al-4V 的机械性能”)，首届国际表面强化会议文集 (INCASE 2019)，新加坡，Itoh, S.; Shukla, S., Eds. Springer Singapore: Singapore, 2019; pp 121-132.

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