双向还是单向？WAAM3D打印IN625合金的沉积策略优化指南

  在增材制造技术加快速度进行发展的今天，如何提升WAAM（送丝电弧增材制造）工艺制造高性能合金的能力，成为业界关注的焦点。

  近日，印度理工学院的研究团队发表了一项对比研究，系统探讨了单向和双向沉积策略对Inconel 625合金制造性能的影响。

  这项发表在《Journal of Materials Engineering and Performance》上的研究工作，通过详实的实验数据揭示了沉积策略对材料微观组织和性能的调控机制，为WAAM技术在高温合金制造领域的工艺优化提供了新的思路。

  研究团队在相同的工艺参数下，对比研究了两种沉积策略制备的垂直薄壁构件，深入分析了微观组织演化规律、力学性能和耐磨性能的变化特征。

  实验根据结果得出，双向沉积策略能够有效调控晶粒生长行为，改善材料的综合性能。

  在当今高端制造领域，Inconel 625（GH3625）凭借其卓越的综合性能，

  图1（a）中的扫描电镜图像让我们清晰地看到了Inconel 625的微观特征 - 其独特的延伸晶粒（Elongated grains）和晶界（Grain boundary）结构，直接决定了材料的力学性能。

  能谱分析结果更是精确展示了各元素的分布特征，为后续的工艺优化指明了方向。

  从图1（b）的EDS分析结果能够准确的看出，Ni、Cr、Mo等关键元素的精确配比，这些元素的协同作用赋予了Inconel 625优异的力学性能和耐腐蚀性。

  然而，正是这种复杂的合金体系，使得传统制造工艺在工艺流程中面临着巨大的挑战，不仅导致生产所带来的成本居高不下，材料利用率也不高。

  这套系统的核心组件包括：一台配备了先进控制管理系统的Kawasaki六轴机器人、一台Fronius CMT TPS 400i电源，以及精密的送丝系统。

  系统中的每个组件选择在DED设备中很常见，故本研究的内容具有一定普适性。

  在深入钻研WAAM技术的工艺优化过程中，图3展示了一系列关键的实验过程。

  其中图3(a)记录了单道沉积的全过程，单层沉积的好坏与否是实现高质量多层制造的基石。

  通过3D轮廓仪的精确测量（如图3(b)所示），研究人员系统性地评估了工艺参数对沉积道形貌的影响。

  从图3(c)展示的8组不同横截面形貌中，我们大家可以清晰地看到工艺参数对沉积质量的显著影响。

  最终，在140A电流、13.3V电压、5.5m/min送丝速度的组合下，实现了最优的高宽比0.721，这一突破为后续的多层制造奠定了坚实基础。

  传统的单向沉积策略（如图4(b)所示）虽然工艺简单，却容易在层与层之间产生累积效应，导致几何精度偏差。

  而团队提出的双向沉积策略（图4(c)）通过在每层沉积时改变送丝方向，巧妙地平衡了热输入，显著提升了沉积质量。

  从图4(d)展示的60层样件可以看出，采用双向沉积策略后，制件表现出优异的几何精度和表面质量。

  相比之下，图4(e)中采用单向沉积的5层样件就出现了明显的几何畸变。AM易道认为，虽然大部分厂家早已用上双向沉积，但是很多从业者并不常关注为什么要选择双向沉积策略，这篇文章的较为基础的研究给予了很好测试和证明。

  在图6(a)中，我们能清楚地观察到单向沉积样品中的柱状晶（Columnar grains）生长特征。

  而通过双向沉积策略（图6(b)），研究团队成功实现了晶粒的破碎化（Fragmented grain structure），这为组织调控为性能提升提供了新思路。

  更令人振奋的是，在60层薄壁样品中，研究者们观察到了有趣的组织演化规律。

  从图6(c)到图6(g)的系列显微组织照片展示了一个完整的组织演化过程：

  底部区域由于快速冷却形成了细小的胞状晶粒，中部区域呈现出胞状与柱状枝晶的混合特征，而顶部区域则主要以等轴晶（Equiaxed grains）为主。

  如图7所示，单向沉积样品的初生枝晶间距（PDAS）达到25.79μm，而双向沉积样品在底部、中部和顶部的PDAS分别降至11.08μm、12.34μm和17.05μm。

  AM易道认为，这种显著的组织细化效应，不仅从理论上验证了双向沉积策略的可行性，更为高性能构件的工程化应用奠定了坚实基础。

  在能谱分析（图8）中，我们大家可以清晰地看到各关键元素在不同位置的分布特征。

  特别是在底部、中部和顶部区域，Ni、Cr、Mo、Nb等元素的分布呈现出明显的规律性变化，这直接反映了熔池中复杂的元素扩散和偏析行为。

  这些深入的微观分析结果，为我们理解双向沉积策略的作用机制提供了关键依据。

  图11的显微硬度测试结果揭示了一个令人振奋的发现：在整个构件高度范围内，硬度值呈现出规律性的梯度分布。

  从图11(a)中我们可以看到，底部区域的平均硬度高达260.3HV，这得益于快速冷却形成的细小晶粒结构。

  随着沉积高度的增加，中部和顶部区域的硬度值分别稳定在232.9HV和228.02HV，这种相对均匀的性能分布为高性能构件的工程应用提供了可靠保证。

  从图12(a)的摩擦系数曲线能清楚地观察到，双向沉积样品展现出更低的摩擦系数（0.485 vs 0.50）和更稳定的摩擦行为。

  3D轮廓仪分析（图12 c-j）进一步揭示了磨损机制的本质：双向沉积样品的磨损体积和磨损率分别降低了约12%和15%。

  在单向沉积样品中（图13 a-b），我们大家可以观察到明显的剥层和黏着磨损特征。

  而双向沉积样品（图13 c-h）则展现出更为平滑的磨损表面和细小的磨损碎屑，这种显著的差异直接证实了双向沉积策略在提升材料耐磨性能方面的效果。

  AM易道认为，这些深入的性能评估结果不仅验证了双向沉积策略的技术可行性，更为高性能构件的工程化应用指明了方向。

  通过这项系统性的研究，我们正真看到了沉积策略对WAAM制造IN625合金性能的显著影响。

  对于从事高温合金增材制造的工程技术人员来说，这些研究发现提供了很好的工艺参考：

  首先，研究中优化的工艺参数组合需要我们来关注：电流140A、电压13.3V、送丝速度5.5m/min、行进速度30cm/min。

  这组参数在单道试验中获得了最佳的高宽比（0.721），可当作工艺开发的基础参考。

  通过设置2分钟的层间冷却时间，可以有很大成效避免热量累积导致的几何畸变，这对于大尺寸构件的制造具备极其重大的指导意义。

  从微观组织控制的角度看，双向沉积策略通过改变热输入方式，成功实现了晶粒的细化。

  当然，在实际应用中，简单的堆五层还远远不足，还应该要依据具体的构件特征和性能要求，对工艺参数进行针对性优化。

  AM易道希望这些研究发现能为业界同仁在WAAM技术开发和应用中提供有益的借鉴。

  通过不断的工艺创新和优化，相信WAAM技术在高温合金制造领域会发挥逐渐重要的作用。

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