基于焊接的镍基高温合金

镍基高温合金凭借其耐高温、耐腐蚀、耐复杂应力等性能，在制作涡轮发动机工作叶片、导向叶片、飞机发动机以及工业用燃气轮机等高温零部件方面具有广泛的适用性，也因此被称作“发动机的心脏”。但当这些零部件在高温、复杂应力，特别 是在海水中等复杂环境下工作时， 容易产生裂纹、磨损、断裂和腐蚀等，致使零部件大量报废。采用增材再制造技术对废旧零部件“再制造”，可使其价值得到最大程度的发挥，获得巨大的经济收益 。

增材再制造技术就是利用增材制造技术对废旧 零部件进行再制造修复：

首先，利用数字加工的一些原理扫描出零部件的3维数字模型；

然后，对数字模型进行后处理，得出缺损部分的3维数字模型；

最后，通过一层一层向上叠加的方式直接快速加工 出缺损部分。

1 焊接工艺

1．1 钨极氩弧焊

钨极氩弧焊（GasTungstenArcWelding， GTAW）是以钨棒作为电弧一极的气体保护电弧焊。其应用非常灵活，尤其是与激光熔覆相比，可以更容易地处理铜、铝、镁等有色金属的增材再制造。此外，其弧长及电弧稳定性好，焊接电流下限不受焊丝 熔滴过渡等因素制约，最低焊接电流可用到2A。但它自身仍有一些不足：一方面，钨极的承载能力有 限，过大电流容易使钨极烧损，从而限制了熔深；另 一方面，随着电流的增大，钨极电弧的发散变得严重，使得熔池成形之后塌陷，严重影响成形质量。

1．2等离子弧焊

以等离子弧为焊接热源的增材再制造方法称为等离子增材再制造（PlasmaAdditiveＲemanufactu-ring，PAＲ）。其中，等离子弧是一种压缩的钨极氩弧，钨极氩弧最高温度为10000～24000K，能量密 度小于104W/cm2 ，而等离子弧的温度高达24000 ～50000K，能量密度可达106～108W/cm2。依靠喷嘴的机械压缩作用，同时伴随着最小电压原理 产生的热压缩以及弧柱本身的电磁压缩，使等离子 弧的能量密度远远超过钨极氩弧，甚至能够达到激光的能量密度 ，图1为二者电弧形态的对比，自由电弧的扩散角约为45°，等离子弧则仅有5°。

1．3激光熔覆成形

以激光为热源的增材再制造成形技术通常被称为激光熔覆成形（LaserDepositionForming，LDF），是目前发展最为广泛的增材制造技术之一。控制LDF成形质量的因素主要有激光功率、扫描速度、粉末粒度、送粉量和载气流量等。与GTAW和PAＲ相 比， LDF成形过程需要考虑粉末对激光的吸收率。当送粉量一定时，可通过调节激光功率和扫描速度来获得所需的激光能量。LDF的显著特点是能量密度高、电弧热量集中、焊接热影响区小、温度梯度大、 成形效率高，但焊后有很高的残余应力，因此多 采用脉冲方式调节激光的热输入。目前的研究结果表明：采用脉冲激光熔覆成形可获得稍低的热 输入量，能对焊接成形有更好的控制。

为了对比在不同焊接工艺下快 速成形的综合有效性， Martina等利用直接成形的宽度、层间高度等参数进行建模，结果表明：PAＲ 比GTAW和LDF直接成形都具有显著优势。不同 焊接工艺成形性对比如图2所示。总之，基于不同焊接工艺的增材再制造技术各有特点：GTAW效率高、设备成本低，但其输入热量大、零件成形精度不高；脉冲LDF热输入量小、焊接热影响区小，且成形效果优良，但其设备价格昂贵；PAＲ技术在设备成本上相较于LDF具有显著优势，其沉积效率约为98%，最大沉积率可达到1．8kg/h，成形零件的有效宽度和沉积率高于GTAW和LDF。

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