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长三角G60激光联盟导读

美国俄亥俄州立大学材料科学与工程系焊接工程专业、美国国家航空航天局（NASA）马歇尔太空飞行中心金属材料与工艺分部、美国国家航空航天局（NASA）格伦研究中心高温与智能合金分部、海克斯康制造智能公司、葡萄牙新里斯本大学NOVA科技学院机械与工业工程系UNIDEMI研究中心、巴西里约热内卢联邦大学（UFRJ）冶金与材料工程专业的科研人员报道了激光增材制造镍基合金625与718的焊接性能研究进展。相关研究以“Weldability study of alloys 625 and 718 fabricated by laser-based additive manufacturing”为题发表在《Journal of Manufacturing Processes》上。

镍基合金625和718凭借优异的耐腐蚀性能和高温强度，在航空航天领域获得广泛应用。近年来，激光粉末床熔融（LPBF）和粉末吹送激光定向能量沉积（DED）等增材制造技术已被用于制造火箭发动机部件，这些技术不仅能实现快速低成本生产，还可成形近净尺寸零件以供后续焊接装配。然而，增材制造与传统轧制材料的凝固裂纹敏感性存在显著差异，且针对增材制造材料的焊接性能表征研究仍较为有限。

本研究通过横向可变拘束试验、Scheil-Gulliver凝固模拟、裂纹敏感性指数（CSI）和流动阻力指数（FRI），系统评估了轧制态、LPBF和DED三种工艺制备的625与718合金的焊接凝固裂纹敏感性。横向拘束试验表明：由于熔合区存在粗大柱状晶，增材制造材料表现出更高的裂纹敏感性。在合金625中，LPBF试样的最大裂纹距离（MCD）达2.35±0.16 mm，显著高于轧制态（1.56±0.06 mm）和DED态（1.72±0.10 mm）；合金718在5%应变下，DED试样MCD为2.93±0.41 mm，LPBF试样达3.01±0.33 mm，且未出现明显的饱和应变，而轧制态仅为2.01±0.12 mm。尽管轧制材料展现出更优的抗裂性能，但Scheil凝固模拟结果与实验数据存在偏差，因其仅考虑化学成分而未能计入显微组织与力学因素的影响。

图1.横向可变拘束试验装置：(a)试验机主体；(b)完整实验系统配置

图2.合金625横向拘束试验结果：(a)总裂纹数(TNC)；(b)总裂纹长度(TCL)；(c)最大裂纹长度(MCL)；(d)最大裂纹距离(MCD)。数据采用95%置信区间表示

图3.合金718横向拘束试验结果：(a)TNC；(b)TCL；(c)MCL；(d)MCD。结果以95%置信区间报告

图4.3%应变下合金625焊缝形貌：(a)轧制态；(b)LPBF态；(c)DED态

图5.3%应变时合金625裂纹特征：(a)轧制态；(b)LPBF态；(c)DED态

图6.3%应变下合金718焊缝形貌：(a)轧制态；(b)LPBF态；(c)DED态

图7.3%应变时合金718裂纹特征：(a)轧制态；(b)LPBF态；(c)DED态

图8.2%应变下合金625裂纹形貌：(a)(b)轧制态；(c)(d)LPBF态；(e)(f)DED态

图9.合金625熔池尾端显微组织：(a)轧制态；(b)LPBF态；(c)DED态

图10.2%应变下合金718裂纹形貌：(a)(b)轧制态；(c)(d)LPBF态；(e)(f)DED态

图11.合金718熔池尾端显微组织：(a)轧制态；(b)LPBF态；(c)DED态

本研究通过横向可变拘束试验、Scheil-Gulliver凝固模拟(STR)以及CSI/FRI指数，系统评估了轧制态、LPBF和DED三种工艺制备的625与718合金的焊接凝固裂纹敏感性，主要发现如下：

•合金625中，LPBF试样在横向拘束试验中表现出最高的MCD值（3%应变时达2.35±0.16 mm），而轧制态和DED态均在2%应变时达到饱和，MCD分别为1.56±0.06 mm和1.72±0.10 mm。LPBF材料的高敏感性归因于焊缝中心线存在的轴向柱状晶组织。

•合金718中，DED态在2%应变时即达到饱和MCD（2.93±0.41 mm），轧制态在1%应变时饱和（2.01±0.12 mm），而LPBF态在5%应变时仍未呈现明显饱和（MCD达3.01±0.33 mm）。增材制造试样的高裂纹敏感性主要归因于其熔合区存在粗大且呈拉长形态的晶粒结构。

•轧制材料在所有条件下均表现出最优的抗裂性能，其MCD值显著低于增材制造试样。

•EBSD与拘束试验的联合分析表明，三种材料的核心差异在于晶粒尺寸与形貌。增材制造基材的粗大晶粒导致熔合区形成大尺寸拉长形态的晶粒，从而恶化裂纹敏感性。基体晶粒尺寸是决定焊缝金属晶粒形貌与裂纹敏感性的关键因素。

•CSI和FRI裂纹敏感性指数与横向拘束试验结果缺乏相关性，因为这些模型仅考虑化学成分而忽略了显微组织与力学因素的影响。

•Scheil-Gulliver模拟显示所有工艺条件下的凝固路径形貌和凝固温度范围相似。虽然STR结果与实验裂纹敏感性不匹配，但与合金化学成分（特别是Nb含量）以及公认的718合金比625合金更高裂纹敏感性的规律一致。

需要特别指出，LPBF加工过程中的氧含量增加仍是重大隐患，建议通过更多合金体系的拘束试验和显微分析来验证本研究发现，重点考察LPBF部件氧含量对裂纹敏感性的影响机制。

论文链接：

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