《Materials Characterization》：Effect of heat input and welding direction on microstructure and mechanical properties of electron beam welded nickel-based superalloy joints processed by laser powder bed fusion
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本研究系统探究了热输入与焊接方向对LPBF制备ZGH4142超合金EBW接头的影响。通过显微表征和热模拟发现，热输入增加使焊缝形态从半圆形转为深穿透型，促进Ta-rich MC碳化物粗化，同时降低基体位错密度。焊接接头与基体金属的强化机制差异显著，基体以位错强化为主（占比37%），而焊缝区以固溶强化为主（占比75%）。研究揭示了多尺度耦合机制，为AM超合金焊接工艺优化提供了理论支撑。
作者：童亚星、黄爱辉、朱国亮、林三宝
中国哈尔滨工业大学材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001
摘要
沉淀强化的镍基超合金因其优异的高温强度和抗蠕变性能而被广泛应用于航空航天和能源系统。然而，增材制造（AM）引入了明显的微观结构各向异性和残余应力，这对实现可靠的熔焊带来了重大挑战。本研究系统地探讨了热输入和焊接方向对激光粉末床熔融（LPBF）制造的ZGH4142超合金电子束焊接（EBW）接头的凝固行为、元素偏析和力学性能的影响。通过多尺度微观结构表征结合有限元热模拟，阐明了在高冷却速率条件下的凝固和强化机制。所有EBW接头均表现出无缺陷的形态。增加热输入使焊缝形态从半圆形变为深穿透型，降低了冷却速率，并促进了富Ta的MC碳化物的生长。焊缝微观结构由细小的γ基体组成，其中含有富Ta和W的MC碳化物以及细分散的γ'–Ni3Al沉淀物。焊缝晶粒优先沿〈001〉方向生长，表现出可忽略的织构变化。基体具有较高的位错密度（约2.1 × 1014 m?2）和纳米级MC碳化物，从而提高了其强度；而焊缝区的位错密度较低（约0.15 × 1014 m?2），导致强度降低但延展性提高。定量分析表明，基体的强化主要来源于固溶强化（48%）、位错强化（37%）和晶粒细化强化（15%）的综合作用；而焊缝区则主要由固溶强化主导（约75%）。这些发现揭示了热输入、凝固和力学行为之间的内在耦合关系，为增材制造超合金的焊接设计和结构集成提供了宝贵的指导。
引言
增材制造（AM）作为一种先进的制造技术，通过逐层沉积材料的过程实现了三维组件的精确制造[1][2]。在各种AM技术中，激光粉末床熔融（LPBF）[4]具有高能量密度和极快的凝固速率[5][6]，能够在微观尺度上形成非平衡微观结构，如密集的位错细胞和超细晶粒[7][8]。这些独特的微观结构特征赋予了合金优异的强度[9]和延展性[11]。然而，LPBF固有的快速凝固也导致了明显的微观结构各向异性、残余应力和局部成分偏析[12]，这可能在后续焊接或高温服役过程中导致结构不稳定和力学性能下降。这种微观结构的不均匀性仍然是LPBF合金大规模工程应用的主要障碍。
镍基超合金因其出色的高温强度、抗氧化性和微观结构稳定性[16][17]而被广泛用于航空航天[13]和发电[14][15]领域。最近，通过调整C、Al、Ta和Co的含量，开发出了沉淀强化的ZGH4142合金，该合金在LPBF加工过程中表现出优异的打印性能（无热裂纹）和优异的高温性能[18]。这种合金的高强度归因于密集位错细胞、精细的γ基体以及高体积分数的γ'–Ni3(Al, Ta)沉淀物的协同效应[19]。具体来说，添加C可以减轻残余应力[20]；高Co含量可以降低层错能并促进孪晶形成[21]；Al和Ta的协同作用可以增强反相界能并稳定γ'的分布[22]。这些特性使得ZGH4142成为通过AM制造的结构组件的有希望的材料。然而，关于LPBF生产合金的焊接后处理和修复过程的研究仍然有限，熔焊过程中的微观结构稳定性和强化机制尚未得到系统研究。
焊接是实现AM合金结构集成和组件组装的关键过程[23]，接头的可靠性直接决定了制造部件的安全性和适用性[24]。在各种焊接技术[25]中，气体钨极弧焊（GTAW）和电子束焊接（EBW）是最具代表性的熔焊方法[26]。GTAW具有较高的灵活性，适用于几何形状复杂的结构[27][28]，但其高热输入和缓慢的冷却速率常常导致晶粒粗化和性能下降[29]。相比之下，EBW具有更高的能量密度[30]、更深的穿透深度和更窄的热影响区[31]，有效减少了热变形和污染。因此，它非常适合自动化和高效地连接AM合金。然而，EBW的高冷却速率和深穿透特性可能导致严重的非平衡凝固和元素偏析，显著影响晶粒形态、碳化物沉淀和力学性能[32]。在EBW条件下实现LPBF生产合金的微观结构重构和稳定性仍然是一个尚未解决的关键科学挑战。
先前的研究表明，LPBF材料中的独特微观结构各向异性和残余应力场对焊缝凝固方向和织构形成有显著影响。尽管关于GTAW的研究已经阐明了低过冷条件下的热输入[33]和晶粒取向[34]的影响，但在EBW的高过冷和高能量密度条件下的凝固动力学、元素偏析行为及其相应的多尺度强化机制尚未得到系统研究[35]。此外，EBW固有的陡峭热梯度可能导致焊缝和热影响区之间的力学性能梯度[36]。然而，微观结构与强化机制之间的内在耦合关系尚未得到充分量化[37]。
为了解决这些不足，本研究重点研究了通过LPBF制造的沉淀强化ZGH4142镍基超合金，旨在系统探讨热输入和焊接方向对EBW过程中微观结构演变、元素偏析和力学性能的影响。通过结合全面的微观结构表征和有限元热场模拟，本研究旨在（1）阐明高能量密度焊接条件下LPBF生产超合金的凝固和微观结构演变机制，（2）揭示热输入、微观结构和力学性能之间的多尺度耦合关系，（3）建立增材制造镍基超合金EBW过程中微观结构控制和强化机制的框架。这些结果为优化焊接工艺和实现沉淀强化镍基超合金组件的集成制造提供了基础见解和实用指导。
材料与焊接工艺
本研究使用的材料是通过激光粉末床熔融（LPBF）制造的ZGH4142镍基超合金板，其名义化学成分列于表1中。LPBF工艺参数遵循参考文献[34]中的规定。焊接实验使用的是自适应模式的电子束焊接（EBW）系统（BP-EBW V9）。
焊接接头的宏观形态特征
图2展示了在不同焊接参数下，通过LPBF制造的ZGH4142超合金电子束焊接（EBW）接头的表面外观和截面形态。在低热输入条件下（图2a），能量密度不足以完全熔化基体，导致熔池浅而窄，截面呈半椭圆形。随着热输入的增加（图2b），穿透深度和焊缝宽度显著增加。
讨论
根据第3节的结果，通过LPBF制造的ZGH4142超合金的电子束焊接（EBW）接头在微观结构和力学性能上与原始基体存在显著差异。为了解释这些差异背后的机制，本节讨论了（i）热输入和焊接方向对微观结构演变的影响，以及（ii）控制接头力学性能的强化机制。
结论
本研究系统地探讨了在不同热输入和焊接方向下，通过激光粉末床熔融（LPBF）制造的ZGH4142镍基超合金电子束焊接（EBW）接头的微观结构演变和强化机制。主要结论如下：
1. EBW工艺能够实现LPBF制造ZGH4142超合金的无缺陷连接，在任何条件下均无裂纹或孔隙现象，表现出优异的
作者贡献声明
童亚星：撰写 – 原始稿、方法论、研究、概念化。黄爱辉：撰写 – 审稿与编辑、形式分析。朱国亮：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、资金申请。林三宝：撰写 – 审稿与编辑、方法论、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52371012和52175296）的支持。作者还感谢浙江冰鹏自动化技术有限公司在电子束焊接方面提供的技术支持。
