超聲輔助激光熔覆IN 625高溫合金涂層組織及性能研究

牛慶偉，郝敬賓,*，紀皓文，付天池，楊海峰，劉昊

高溫合金成形

超聲輔助激光熔覆IN 625高溫合金涂層組織及性能研究

牛慶偉1，郝敬賓1,2*，紀皓文1，付天池2，楊海峰1，劉昊1

（1.中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116；2.深地科學與工程云龍湖實驗室，江蘇 徐州 221116）

針對激光熔覆制備IN 625高溫合金涂層時易產生缺陷和元素偏析進而導致合金性能下降的問題，提高增材制造IN 625高溫合金的力學性能。在激光熔覆IN 625涂層的過程中施加超聲振動輔助，通過物相檢測和微觀組織觀測研究超聲功率對涂層物相種類和晶體尺寸的影響；通過分析析出相含量、分布方式及析出形態，研究超聲功率對元素偏析的影響；通過對顯微硬度、高溫耐磨性進行測試，研究超聲功率對涂層力學性能的影響。施加超聲前的涂層組織主要為方向雜亂的粗大枝晶，施加超聲后的涂層物相組成未發生明顯變化，但枝晶內亞晶排列緊密且尺寸明顯減??；施加超聲振動后的涂層析出相尺寸減小、含量下降，其中Laves相含量在施加超聲后降幅較大，表明超聲振動可以抑制Nb、Mo等元素的偏析；施加超聲振動后涂層的顯微硬度提高，磨損率明顯下降，磨損機制由原來的表面疲勞磨損、黏著磨損和磨粒磨損的復雜磨損轉變為磨粒磨損、黏著磨損的簡單磨損。施加超聲輔助可以有效細化IN 625涂層組織，并抑制Laves相的析出，提高涂層的硬度和耐磨性。

激光熔覆；超聲振動；高溫合金涂層；摩擦磨損；元素偏析

Inconel 625（IN 625）是一類鎳基高溫合金，因具有較高的拉伸、蠕變和斷裂強度，在航空航天領域得到了廣泛應用[1]。該合金具有優異的抗氧化性和熱疲勞強度，在低溫到約1 000 ℃的使用溫度范圍內都可以使用[2]。激光熔覆是一種極具發展潛力的增材制造方法，具有加工時間短、加工方便等優點[3]。與傳統加工技術相比，激光熔覆成形質量更高，可對局部破損的零部件進行表面強化及修復，延長其使用壽命，有利于降低成本，提高效益[4]。但由于激光熔覆的快速加熱和快速凝固特性，熔覆層內存在較大的溫度梯度，容易產生熱應力和殘余應力，以至出現裂紋和氣孔等缺陷[5-6]。專家學者們為了提高增材制造IN 625的性能開展了大量研究。Li等[7]采用激光熔化沉積技術研究了球形WC和非球形WC增強IN 625復合涂層的強化機理，研究發現，添加球形WC可以提高基體的顯微硬度、耐磨性和耐腐蝕性。趙軒等[8]研究發現，在激光熔覆IN 625過程中，常出現Laves等有害相，這種相通常會對涂層的力學性能產生負面影響。Yang等[9]采用激光熔化沉積技術在304SS上制備了添加有Co/TiAl的IN 625涂層，與IN 625涂層相比，加入Co、Ti和Al后的涂層室溫硬度和強度顯著提高，伸長率大幅降低。

超聲輔助激光熔覆在細化微觀組織、勻化元素分布、降低集中應力、提高顯微硬度和耐磨性等方面有突出表現，成為研究人員重點研究的對象[10-11]。Hu等[12]對比了有無超聲輔助對晶粒組織的影響，研究發現，在引入超聲輔助后，晶粒尺寸明顯減小、排布更加致密且晶粒組織多為等軸晶形成的網狀結構。Li等[13]在超聲輔助激光熔覆3540Fe-CeO2研究中發現，引入超聲振動并未改變物相組成，但是使涂層組織由較粗大的胞狀晶和枝狀晶轉變為細小的針狀枝晶和等軸晶。

目前對激光熔覆IN 625的研究更多側重于優化工藝參數和添加元素改性，而關于采用能場輔助改善激光熔覆IN 625成形質量的研究較少。本文在激光熔覆IN 625高溫合金過程中采用超聲振動輔助，探究了超聲輔助激光熔覆涂層力學性能的影響機理及作用機制，以期為進一步提高增材制造IN 625高溫合金的性能提供新的參考方向。

1 實驗

1.1 材料

基體選擇昆山宇坤金屬材料公司生產的H13精鋼，考慮到多道搭接所造成的熱累積會給基板帶來彎曲等影響，基體尺寸選為100 mm×80 mm×25 mm。實驗前采用砂輪對基板進行打磨，用酒精清洗并烘干，保證表面光潔無污染物。熔覆材料選擇江蘇威拉里生產的IN 625鎳基球形粉末，直徑為45～105 μm，化學成分如表1所示。

表1 IN 625粉末的化學成分

1.2 涂層制備

實驗采用超聲輔助激光熔覆系統，如圖1所示。激光器為銳科激光生產的RFL-C3300W型激光器，最大功率為3.3 kW，光斑直徑為2.5 mm，焦距為10 mm。運動單元采用ABB機器人與兩自由度旋轉平臺，以實現基板不同路徑的激光熔覆。在激光熔覆過程中，采用同軸送粉裝置，采用氬氣作為送料氣體和保護氣體，氣體流量設置為18 L/min。

本實驗采用杭州浩達有限公司生產的HDS-SK-20超聲振動設備，最大功率為1 000 W，輸入電源為220 V，工作頻率為10～22 kHZ。為避免在超聲工作過程中基板受震偏移，工作臺和基板采用螺紋連接，即超聲加載方式為直接接觸式。

圖1 超聲輔助激光熔覆原理圖

根據之前IN 625的激光熔覆研究[14]，優選熔覆工藝參數如下：激光功率為1 500 W、掃描速度為300 mm/min、輸送速度為5 g/min。選取多道搭接率為40%進行超聲輔助激光熔覆實驗，分別取超聲功率為0、400、600、800 W進行對照實驗。

1.3 樣品的處理和檢測

1）物相分析。將制備好的熔覆層線切割成10 mm×10 mm×10 mm的正方體觀測試樣。采用MTP-200型金相拋光機對觀測樣品的觀測面進行磨拋，用400～2000目的砂紙進行預處理，然后用15000#金剛石研磨膏對試樣拋光，使用X射線衍射儀（Bruker D8-Advanced）對樣品物相進行掃描檢測，掃描角度設置為20°～100°。通過超聲清洗機對樣品的表面進行清洗，然后用王水（濃HCL+濃HNO3，體積比為3︰1）腐蝕，直至能夠顯示微觀組織紋理，對正方體觀測試樣進行微觀組織觀察。使用場發射電子顯微鏡（FSEM，Quanta 250）觀測樣品的微觀組織結構，使用能量色散光譜（EDS）檢測器進行元素含量掃描進而表征元素分布。

2）硬度測試。使用維氏顯微硬度計（HVS-1000）測量涂層顯微硬度，靜壓力為3 N，保荷時間為20 s。為對比涂層不同區域的顯微硬度，由上至下每隔200 μm取一個點進行測試。共進行3次測量，測量點之間的橫向間距為50 μm，取3次測量平均值作為該區域的顯微硬度。

3）高溫耐磨性能測試。高溫摩擦磨損實驗臺型號為HT-1000。選用Si3N4為對磨球，直徑為5 mm。制備尺寸為15 mm×15 mm×10 mm的試樣進行耐高溫磨損實驗。在高溫實驗前用金相拋光機將涂層表面拋光，用無水乙醇清洗表面并烘干以去除污染物。高溫耐磨實驗參數如下：載荷為9 N、實驗時間為20 min、溫度為600 ℃、摩擦半徑為4 mm。在高溫磨損實驗后，利用DSX1000型景深數字顯微鏡對樣件熔覆輪廓、磨損形貌進行三維掃描成像，分別計算每個試樣磨損凹槽3個截面積的平均值，獲得磨損體積，隨后計算涂層的磨損率。

2 結果與討論

2.1 涂層物相

IN 625高溫合金涂層的物相衍射曲線如圖2所示，其中物相含量反映在衍射峰強度上。各涂層的物相組成大致相同。超聲振動作為輔助外場，在熔池熔凝過程中并未改變元素組成。由衍射圖譜可知，涂層主要為γ-Ni固溶體相和Cr23C6，大多數的溶質原子如Cr、Fe固溶于γ-Ni基體中[15]。除γ-Ni、Cr23C6外，IN 625涂層中常出現的Laves相[16]沒有明顯的衍射峰，這可能是由于尺寸較小和含量較低。由文獻[17]可知，在IN 625粉末中，Cr元素與C元素之間的親和力較強，這些合金元素與C元素形成了Cr23C6硬質沉淀相，尺寸較小的硬質相彌散分布于枝晶間與γ-Ni固溶體中，起到彌散強化、提高耐磨性的作用。此外，計算非主峰面積發現，其面積隨超聲功率的增大而逐漸增大，衍射峰面積代表物相的含量，說明隨著超聲的施加，γ-Ni分布更為均勻，并隨著超聲功率的增大，對組織起到更為良好的均布效果。

圖2 IN 625高溫合金涂層XRD衍射曲線

2.2 涂層微觀組織

為了探究超聲振動功率對IN 625高溫涂層微觀組織的影響，保持其他工藝參數不變，在單一變量下進行分析。不同超聲功率下涂層FSEM圖如圖3a所示，可以看出，無超聲振動時，枝晶形態粗大，且亞晶分布不均勻；施加超聲振動后，晶體分布均勻、尺寸縮??；與未施加超聲相比，超聲功率600 W涂層的晶體尺寸明顯減小，枝晶內亞晶組織排列更細小緊密，分布更為均勻。為了方便對比施加超聲前后晶體尺寸的變化情況，采用Image J軟件對圖3a中的亞晶胞直徑進行統計，統計結果如圖3b所示?？芍?，無超聲亞晶胞平均直徑為6.1 μm，施加超聲后亞晶胞尺寸明顯下降，當超聲功率為600 W時，晶粒細化最為明顯，此時的亞晶胞直徑僅為2.6 μm。由超聲空化效應可知，在激光熔覆過程中，由于難熔合金元素、空氣等原因，熔池內存在空化泡，且存在于晶體形核時的成長空間周圍，在正負高頻聲壓的綜合作用下，空化泡坍塌造成局部過冷并產生高壓微射[18]，當這些微射流射向周圍正在生長的晶體或枝晶臂時，會使初生晶體所搭建的固體結晶網斷裂，形成碎晶，這些碎晶在超聲能場的聲流效應、機械效應及熔體對流等作用下，分散到涂層各區域，成為新的形核點繼續生長。

由凝固學理論[19]可知，金屬熔體的組織形態受周圍環境過冷度0的影響，增大過冷度、降低溫度梯度以及增大結晶速率均可使過冷程度提高，促進晶體由尺寸較大的胞狀晶、柱狀晶轉變為尺寸更小的樹枝晶或等軸晶，并促進枝晶內部亞晶機構的尺寸細化和分布均勻化。在激光熔覆剛進行時，熔池吸收熱能不足，導致熔池溫度梯度較大，因而熔覆初期較小，/值較大；隨著激光能量的積累，熔池溫度分布趨于均勻，溫度梯度逐漸減小，凝固速率加快，而晶體生長速度卻放緩，晶體來不及完全生長，導致尺寸減小。當施加超聲外場時，超聲熱效應提高了熔池內熱能，超聲波熱能的大小與功率相關[20]，因此，在一定程度上，隨著超聲功率的增大，涂層微觀結構尺寸逐漸變小，晶粒組織得到細化。但隨著超聲功率的持續增大，晶粒細化效果反而變差，這可能是因為增大超聲功率雖然提高了沿軸線上的聲壓水平，但超聲功率越高，空化效應越劇烈，產生的氣泡越多，氣泡的局部大量聚集會形成密度較低的空化區域，導致超聲波穿過這一區域后能量急劇衰減，反而削弱了超聲的作用，即超聲功率過高會增強氣泡對聲波的屏蔽作用[21]。

晶體成核理論[22]也可以對超聲促進晶粒細化的作用機制進行解釋。形核率受胚胎晶體尺寸、臨界成核尺寸k以及熔池內自由能Δ的影響。對于晶體，當成核所需的能量低于熔池內自由能且>k時，才能滿足形核條件，具體關系如式（1）～（3）所示。

式中：為吉布斯-湯姆遜效應；Δ為熔池內自由能；Δc為臨界形核能量；()為介于0與1之間的成核因子；S為固相單位體積自由能；L為液相單位體積自由能；ΔS為焓變；ΔS為焓變；為熱力學溫度；ΔS為體積變化；Δ為輸入功。

加入超聲振動后，式（3）中的輸入功Δ增大，自由能Δ增大，臨界成核尺寸k和臨界形核能量Δc降低。因此，在引入超聲后，形核加快，晶粒密度提高，晶體體積減小，晶體間距降低，組織得到細化。施加超聲前后涂層組織的SEM圖如圖4所示?？梢园l現，施加超聲后，枝晶尺寸減小，與未施加超聲的枝晶間距2（4.5 μm）相比，施加600 W超聲后，枝晶間距1（3.2 μm）明顯降低。此外，由文獻[23]可知，超聲的聲流效應對枝晶臂的生長起到阻礙作用，同時也起到了細化晶粒的作用。

2.3 元素偏析

為探究超聲輔助激光熔覆對IN 625涂層元素分布的影響，研究在不同功率的超聲作用下，涂層析出相元素含量的差異，并對析出相進行點位能譜測量，以探究超聲輔助對涂層元素偏析和元素分布的影響。

圖3 不同超聲功率下的IN 625涂層微觀組織

圖4 施加超聲前后涂層組織的SEM圖

激光熔覆IN 625高溫合金涂層試樣中部橫截面掃描電鏡圖如圖5所示，其中暗灰色區域為枝晶相，亮白色區域為枝晶間偏析相。在制樣過程中，腐蝕液將基體相腐蝕，留下了更耐腐的Laves相，Laves相中的Nb、Mo、Cr等元素對電子的反射能力更強，因此在掃描電鏡下呈現亮白色。從圖5可以看出，隨著超聲功率的增大，析出相的數量減少并且分布得更加均勻，當超聲功率提高至800 W時，SEM圖中無明顯亮白色析出相。

EDS選點位置如圖6所示，各組涂層底部的元素含量如表2所示，其中點1～3位于無超聲試樣，點4～6位于施加超聲的試樣，點1和點4位于析出相，點2和點5位于γ相，點3和點6位于未知區域?？梢钥吹?，點1中Nb元素的質量分數在12%左右，點2中Nb元素的質量分數為3.72%，由此判斷涂層底部析出相主要是Laves相[24]。從表2也可以看出，Laves析出相中Mo元素的含量是基體相的2～3倍，因此，Laves相主要是由Nb元素和Mo元素偏析導致的，這一結論與文獻[24]的結論一致。此外，施加超聲后，點4中的Nb和Mo元素含量顯著降低，與基體幾乎保持一致，說明施加超聲后，Nb和Mo元素的偏析得到了抑制，Nb和Mo元素含量顯著降低也說明施加超聲可以減少Laves相的析出。

超聲輔助激光熔覆IN 625涂層二值化處理示意圖如圖7所示，為了進一步研究引入超聲前后IN 625涂層析出相的變化情況，分析施加超聲前后涂層析出相含量，通過Photoshop按照圖7所示方法進行閾值處理和計算。沿垂直激光熔覆方向在涂層橫截面上劃分3個區域，在每個區域拍攝5張SEM圖，并利用Photoshop二值化工具對析出相的含量進行計算，取5組統計數據的平均值作為平均析出量。經過PS閾值處理后，涂層中的Laves相以及MC型碳化物顯示為白色點狀物，黑色區域為γ基體相，根據圖像色差進行數據收集，即分別計算整圖中2種顏色各自所占的像素塊，二者數量之比即為該圖示中析出相的質量分數，處理結果如圖8所示。

圖5 不同超聲功率下IN 625涂層中部析出相分布

圖6 涂層底部EDS選點示意圖

表2 涂層底部元素含量掃描結果

Tab.2 Scanning results of element content at the bottom of the coating wt.%

圖7 超聲輔助激光熔覆IN 625涂層二值化處理示意圖

未施加超聲時，底部析出相的質量分數為4.70%～6.14%；隨著凝固的進行，熔覆層中部的熱梯度差減小，微觀組織形態也發生變化，柱狀枝晶消失，轉變為尺寸更小的樹枝晶，晶粒形態減小，導致晶間距被壓縮，涂層中部偏析元素偏析，局部富集含量降低，因此偏析析出相含量降低，為3.82%～4.71%。在距離界面結合最遠的涂層頂部，由于此處直接與空氣接觸，有較好的熱交換條件，加上惰性保護氣的協同作用，提高了該區域的凝固效率，使凝固速度提高，縮短了Nb等合金元素的偏析時間，導致頂部析出相含量進一步降低，頂部析出相的質量分數為2.88%～ 3.31%。施加超聲后，涂層析出相的含量明顯下降，其中，當施加的超聲功率為600 W時，涂層頂部、中部以及底部3個區域偏析相的質量分數分別下降了58%、23%、63%。超聲的聲流效應作用在熔池中，提高了熔池中心的熔流速度，促使元素在熔覆層均勻分布，避免了Mo和Nb元素的局部富集，從而抑制了Laves等相的偏析。

圖8 超聲功率對IN 625高溫合金涂層析出相含量的影響

設置超聲功率不同的4組實驗組，選取Fe、Cr、Nb、Mo 4種元素作為示蹤對象，探究超聲功率大小對激光熔覆IN 625高溫合金涂層內元素分布的影響。能譜掃描結果表明，在無超聲組中，每種示蹤元素均存在富集現象，其中Fe元素在基體結合處的含量最多，推測H13基本內Fe元素較多。在熔覆時，由于2種液體的表面張力不同，在張力梯度的作用下，由“高濃度”一側向“低濃度”一側移動，發生基體元素擴散。除去Fe元素在冶金結合處的特殊現象，Fe和Cr元素在涂層截面處自上至下都仍存在富集現象，且顏色呈現高亮。

引入超聲后，“貧富”現象得到有效改善，各元素高亮區域分布得更加平均。在不施加超聲時，易產生Laves相等有害相的合金元素如Nb和Mo顯示出明顯的富集現象，而在超聲施加后，Nb和Mo元素的富集現象得到較大改善，這也印證了上文析出相含量下降的實驗結果。隨著超聲功率的增大，原本大塊團狀富集區域轉為片狀富集區，從上到下涂層內的元素標識色更為均勻。施加超聲后，在聲流效應下熔池內的對流速度加快，從而加快了合金元素的擴散速度，因此，在超聲“攪動”作用下，元素的移動時間延長，元素在涂層內分布得更加均勻。在常規激光熔覆工藝下，如何抑制有害相偏析一直是激光熔覆難以解決的問題，超聲輔助激光熔覆可以解決這一問題，即通過超聲效應，促進強化元素分布均勻，并降低偏析相的規模和數量。

超聲對涂層中析出相分布方式的影響如圖10所示。原本析出相是以鏈狀分布在晶間，超聲輔助制備的涂層的析出相則是以顆粒狀彌散分布在樹枝晶間。從形態上來看，原本菱形析出相變成面積更小的橢球狀析出相，并且分布間距增大（如圖11所示）。這進一步印證了超聲振動可以均勻化析出相的分布并減小析出相的尺寸，從而抑制元素的偏析現象。

2.4 涂層顯微硬度和耐磨性

超聲輔助激光熔覆IN 625高溫合金涂層的硬度分布結果如圖12所示。未施加超聲振動時，IN 625涂層的顯微硬度為312.21HV～339.98HV，平均硬度為325.54HV。當施加功率為400 W的超聲時，涂層平均顯微硬度為344.71HV，比無超聲試樣硬度提高了6%左右；當施加功率為600 W的超聲時，涂層平均顯微硬度為379.94HV，相較于未施加超聲的熔覆試樣，顯微硬度提高了16.8%；當超聲功率繼續提高至800 W時，涂層平均顯微硬度為372.39HV，顯微硬度并沒有繼續升高，反而有所下降。由上述可知，超聲振動有利于提高涂層顯微硬度，隨著超聲功率的變化，涂層硬度先升高后降低，但降低時的顯微硬度水平仍高于無超聲作用下熔覆試樣的顯微硬度。

引入超聲后，涂層表層的組織稀疏現象消失，表層顯微硬度分布得更加均勻。結合施加超聲后涂層微觀組織的變化情況可知，在激光熔覆過程中施加超聲振動，有利于加速熔體的流動速度并使熔池溫度均勻化，進而縮小熔池不同位置的冷卻速率。同時，超聲空化效應使空化泡內外溫壓發生變化，空化泡吸熱膨脹爆裂，導致在周圍過冷度增大的同時形成高速擊流沖碎周圍發育的枝晶[25]，在二者的綜合作用下，晶粒形核點增多，涂層組織細化，這有利于提高涂層的抗塑性變形能力，因此硬度得到提高。由2.2節可知，當超聲功率增大到800 W時，增強了氣泡對超聲的屏蔽作用，組織細化效果變差，這也是硬度降低的主要原因。

由摩擦磨損試驗可知，施加超聲振動后，當超聲功率為400、600、800 W時，平均摩擦因數分別為0.427 2、0.396 7、0.379 9。與未施加超聲振動的平均摩擦因數0.464 4相比，分別降低了8%、14%、18%。通過景深數字顯微鏡對磨損體積進行測量，建模結果如圖13a所示?？芍?，涂層厚度約為1.3 mm，熱影響區厚度約為0.2 mm，磨痕深度約為32 μm，所以摩擦磨損實驗并沒有磨穿至基體，僅發生在涂層上?；谌S形貌繼續對磨損體積進行計算，在三維形貌上選取等距的3個截面為一組數據，求得3組數據集的平均值，由公式=求出磨損體積，其中為磨損體積，為磨損面積，為磨損總長度。最后計算涂層的磨損率，計算結果如圖13b所示。未施加超聲的涂層磨損率為4.83×10?5mm3/(N·m)，施加超聲后，涂層的磨損率均明顯下降，其中，當超聲功率為600 W時，涂層的磨損率最低，僅為3.87×10?5mm3/(N·m)。

圖9 EDS面掃元素分布圖

圖10 超聲前后涂層中底部析出相的分布

圖11 超聲對析出相形態的影響

圖12 超聲輔助激光熔覆IN 625高溫合金涂層的硬度分布

圖13 IN 625涂層的摩擦磨損試驗結果

對磨損后的形貌進行電鏡掃描，結果如圖14所示?？梢钥闯?，IN 625鎳基高溫合金涂層的磨損類型為微動磨損，是包含表面疲勞磨損、黏著磨損、磨粒磨損的復合磨損機制。當施加超聲振動后，凹坑現象減輕，黏附區顏色變淺，證明疲勞磨損和黏著磨損程度減弱，另外發現施加超聲后，劃痕由較深的直線溝狀劃痕變為較淺的犁溝狀劃痕?？梢钥吹?，與無超聲時的磨損形貌相比，提高超聲功率可以使磨屑堆積面積減小。對磨區域內的劃痕深度變淺，證明磨粒磨損程度降低，且由圖14可知，隨著超聲的加入和超聲功率的提高，樣件磨損表面形貌逐漸光滑，大面積剝落程度減弱。此外，在圖14a～d中均出現了白色點狀物，這是高溫對磨過程中出現的表層析出相，析出相將導致磨粒磨損加劇，析出相越多，磨粒磨損越嚴重，對比磨損SEM圖也可以看出，未施加超聲振動時，磨粒磨損形成的劃痕更深也更明顯。綜上，施加超聲后，涂層磨損類型由原本的復雜磨損變為以磨粒磨損和黏著磨損為主的簡單磨損，隨著超聲功率的增大，磨粒磨損和黏著磨損程度進一步降低。

從圖14還可以發現，在未施加超聲振動和施加超聲振動400 W磨損形貌中均出現了氧化層，即發生了靜態氧化現象，氧化區域的大小反映了氧化程度。當涂層表面受對磨球擠壓后產生剝落，之后隨著溫度的降低，氧化區域增大，氧化區域面積越大代表靜態氧化越嚴重。圖14b～d的靜態氧化程度明顯好于圖14a的，這是因為超聲振動可以通過逸出熔池中的氣泡或孔隙的減少來降低空氣向涂層內部的擴散，使涂層具有良好的抗氧化能力。當超聲功率增至600 W時，靜態氧化層轉變為附著氧化層，這是由于在高溫和摩擦條件下，金屬合金氧化形成的氧化物附著于摩擦表面，這種附著氧化物避免了對磨球和涂層表面的直接接觸，提高了涂層的表面耐磨性。由點掃描結果可知，在附著氧化物中主要是FeO和Cr2O3，其中FeO的熔點為1 360 ℃，Cr2O3的熔點為1 450 ℃，這2種氧化物能夠很好地保護摩擦面，提高涂層磨損性能。當超聲功率增至800 W時，附著氧化物數量減少，同時由2.2節可知，此時晶體尺寸比600 W時的粗大，所以其涂層磨損性比超聲功率600 W時的低。

圖14 IN 625涂層磨損形貌

從宏觀角度來看，超聲振動通過機械、聲流作用加快熔池內部的環/對流速度，提高了熱傳遞效率，使熔池表面張力減小，內部溫度梯度減小，液相凝固速率加快，有利于形成致密的涂層組織，提高抗塑性形變性能。從微觀角度來看，在超聲空化效應下，空化泡受震潰破并產生高速微射流擊破固態枝晶網，碎晶形成新的結晶中心繼續生長，而超聲熱效應使涂層的過冷度升高，加快了晶體的形核速率，使晶粒尺寸細化，起到了細晶強化的作用，有利于提高涂層的耐磨性能。

3 結論

在H13基體上通過超聲振動輔助激光熔覆制備了IN 625涂層，通過物相檢測和微觀組織觀測，研究了析出相含量、分布方式及析出形態，并測量了涂層的顯微硬度和高溫耐磨性，得出如下結論：

1）在不同功率下，超聲振動輔助激光熔覆后的IN 625涂層物相種類沒有明顯變化。IN 625涂層主要由fcc的γ-Ni相和Cr23C6組成。由于Laves含量較少，并沒有明顯的Laves衍射峰出現。在施加超聲后，涂層的組織得到了明顯細化，其中當超聲功率為600 W時，枝晶內亞晶組織尺寸最小且分布最均勻緊密。

2）引入超聲后，超聲的聲流效應和空化效應降低了元素的富集程度，抑制了涂層中Nb、Mo等元素的偏析，涂層中Laves相含量降低。從形態上看，施加超聲后，析出相由鏈狀分布轉變為顆粒狀彌散分布，分布間距擴大且析出相尺寸顯著減小。

3）隨著超聲功率的增大，涂層硬度先升高后降低，但降低時的顯微硬度仍明顯高于無超聲作用下熔覆樣件的顯微硬度。施加超聲后，涂層的黏著磨損和磨粒磨損程度均明顯降低，涂層的摩擦因數和磨損率降低。當超聲功率為600 W時，涂層的磨損率達到最低，涂層的耐磨性能得到較大提升。

[1] KARMUHILAN M, KUMANAN S. A Review on Additive Manufacturing Processes of Inconel 625[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2022, 31(4): 2583-2592.

[2] RIVERA O, ALLISON P, JORDON J, et al. Microstructures and Mechanical Behavior of Inconel 625 Fabricated by Solid-State Additive Manufacturing[J]. Materials Science and Engineering A, 2017, 694: 1.

[3] 顧冬冬. “激光增材制造”專題前言[J]. 中國激光, 2022, 49(14): 1-2.

GU D D. Special Issue on “Laser Additive Manufacturing” Introduction for Special Issue[J]. Chinese Journal of Lasers, 2022, 49(14): 1-2.

[4] 王偉志, 馬國政, 韓珩, 等. 激光熔覆陶瓷涂層研究現狀與展望[J]. 機械工程學報, 2023, 59(7): 92-109.

WANG W Z, MA G Z, HAN H, et al. Research Status and Prospect of Laser Cladding Ceramic Coatings[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(7): 92-109.

[5] 王廷宣, 章健, 劉敬, 等. 激光熔覆層裂紋控制的研究進展[J]. 機械工程材料, 2023, 47(8): 1-7.

WANG T X, ZHANG J, LIU J, et al. Research Progress on Crack Control of Laser Cladding Layer[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2023, 47(8): 1-7.

[6] HAO J B, YANG S, LE X W, et al. Bead Morphology Prediction of Coaxial Laser Cladding on Inclined Substrate Using Machine Learning[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2023, 98(8): 159-172.

[7] LI W L, DI R, YUAN R W, et al. Microstructure, Wear Resistance and Electrochemical Properties of Spherical/Non-Spherical WC Reinforced Inconel 625 Superalloy by Laser Melting Deposition[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 74: 413-422.

[8] 趙軒, 隋尚, 李祚, 等. 成形氣氛對高沉積率激光熔覆GH4169高溫合金顯微組織的影響[J]. 中國激光, 2020, 47(8): 64-72.

ZHAO X, SUI S, LI Z, et al. Effect of Forming Environments on Microstructure of GH4169 Superalloy Fabricated Using High-Deposition-Rate Laser Metal Deposition[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(8): 64-72.

[9] YANG T, WU W X, LEI Y T, et al. Effect of Co/TiAl on Mechanical Properties of Laser Melted IN 625 on 304SS Matrix[J]. Coatings, 2023, 13(4): 768.

[10] 紀皓文, 郝敬賓, 牛慶偉, 等. 超聲滾壓對高速激光熔覆GH5188高溫合金涂層組織和力學性能的影響[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 146-155.

JI H W, HAO J B, NIU Q W, et al. Effect of Ultrasonic Rolling on Microstructure and Mechanical Properties of GH5188 High-Temperature Alloy Coating by High- Speed Laser Cladding[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 146-155.

[11] YANG H F, SHI M T, ZHAO E L, et al. Microstructure Evolution of Laser Cladded NiCrBSi Coating Assisted by an In-Situ Laser Shock Wave[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2023, 321: 118132.

[12] HU Y, WANG H, LI Y, et al. Surface Grinding of ZTA Parts Fabricated by Laser Engineered Net Shaping Process: Effects of ZrO2Content and Ultrasonic Vibration[J]. International Manufacturing Science and Engineering Conference, 2018, 51388: V004T03A062.

[13] LI M Y, ZHANG Q, HAN B, et al. Microstructure and Property of Ni/WC/La2O3Coatings by Ultrasonic Vibration-Assisted Laser Cladding Treatment[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2020, 125: 105848.1- 105848.9.

[14] HAO J B, HU F T, LE X W, et al. Microstructure and High-Temperature Wear Behaviour of Inconel 625 Multi-Layer Cladding Prepared on H13 Mould Steel by a Hybrid Additive Manufacturing Method[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2020, 291: 117036.

[15] 郭建亭, 周蘭章, 秦學智. 鐵基和鎳基高溫合金的相變規律與機理[J]. 中國有色金屬學報, 2011, 21(3): 476-486.

GUO J T, ZHOU L Z, QIN X Z. Phase Transformations and Their Mechanisms in Fe- and Ni-Base Superalloys[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011, 21(3): 476-486.

[16] MARCHESE G, GARMENDIA X, CALIGNANO F, et al. Characterization and Comparison of Inconel 625 Processed by Selective Laser Melting and Laser Metal Deposition[J]. Advanced Engineering Materials, 2017, 19(3): 1-9.

[17] XU F, LYU Y, LIU Y, et al. Microstructural Evolution and Mechanical Properties of Inconel 625 Alloy during Pulsed Plasma Arc Deposition Process[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2013, 29(5): 480-488.

[18] YUSOF N S, BABGI B, ALGHAMDI Y, et al. Physical and Chemical Effects of Acoustic Cavitation in Selected Ultrasonic Cleaning Applications[J]. Ultrason Sonochem, 2016, 29: 568-576.

[19] 常國威, 王建中. 金屬學與金屬工藝[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2002.

CHANG G W, WANG J Z. Metallogy and Metal Technology[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2002.

[20] 李德英, 張堅, 趙龍志, 等. 超聲輔助激光熔覆SiC/316L溫度場和應力場分析[J]. 焊接學報, 2017, 38(5): 35-39.

LI D Y, ZHANG J, ZHAO L Z, et al. Temperature Field and Stress Field Analysis of Ultrasonic-Assisted Laser Cladding SiC/316L[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2017, 38(5): 35-39.

[21] ESKIN D G, TZANAKIS I, WANG F, et al. Fundamental Studies of Ultrasonic Melt Processing[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2019, 52: 455-467.

[22] 沈寧福, 湯亞力, 關紹康, 等. 凝固理論進展與快速凝固[J]. 金屬學報, 1996, 32(7): 673-684.

SHEN N F, TANG Y L, GUAN S K, et al. Solidification Theory and Rapid Solidification[J]. Acta Metallrugica Sinica, 1996, 32(7): 673-684.

[23] 王維, 李新宇, 楊光, 等. 超聲聲流作用在激光沉積修復中的應用[J]. 應用激光, 2014, 34(5): 395-399.

WANG W, LI X Y, YANG G, et al. Ultrasonic Streaming Function in the Application of the Laser Deposition Repair[J]. Applied Laser, 2014, 34(5): 395-399.

[24] 陳秀娟, 趙國瑞, 董東東, 等. 選區激光熔化制造Incone1625高溫合金的組織和力學性能[J]. 中國激光, 2019, 46(12): 1202002.

CHEN X J, ZHAO G R, DONG D D, et al. Microstructure and Mechanical Properties of Incone1625 Superalloy Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(12): 1202002.

[25] 申井義, 林晨, 姚永強, 等. 超聲振動對激光熔覆涂層組織與性能的影響[J]. 表面技術, 2019, 48(12): 226-232.

SHEN J Y, LIN C, YAO Y Q, et al. Effect of Ultrasound Vibration on Microstructure and Properties of Laser Cladding Coatings[J]. Surface Technology, 2019, 48(12): 226-232.

Microstructure and Properties of IN 625 High-temperature Alloy Coating by Ultrasonic Assisted Laser Cladding

NIU Qingwei1, HAO Jingbin1,2*, JI Haowen1, FU Tianchi2, YANG Haifeng1, LIU Hao1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China; 2. Yunlong Lake Laboratory of Deep Underground Science and Engineering, Jiangsu Xuzhou 221116, China)

The work aims to improve the mechanical properties of additive manufactured IN 625 high-temperature alloy, so as to solve the problem of property decline caused by the defects and element segregation during laser cladding. The ultrasonic vibration assistance was applied in the process of laser cladding of IN 625 coating. The effect of ultrasonic power on phase type and crystal size of IN 625 coating was studied by phase detection and microstructure observation. The effect of ultrasonic power on element segregation was studied by analyzing the content, distribution and form of precipitated phase. The effect of ultrasonic power on the mechanical properties of the coating was studied by testing the microhardness and high temperature wear resistance. The microstructure of the coating was mainly coarse dendrites with disordered direction before the application of ultrasonic vibration. The phase composition of the coating did not change significantly after the application of ultrasonic vibration, but the subcrystals were closely arranged and the size decreased obviously. After the application of ultrasonic vibration (UV), the size and content of precipitated phase of the coating decreased, and the content of Laves phase decreased greatly after the application of ultrasonic vibration, indicating that ultrasonic vibration could inhibit the segregation of Nb, Mo and other elements. After ultrasonic vibration was applied, the microhardness of the coating increased and the wear rate decreased obviously. The wear mechanism changed from the original complex wear of surface fatigue wear, adhesive wear and abrasive wear to the simple wear of abrasive wear and adhesive wear. The ultrasonic vibration can effectively refine the microstructure of the IN 625 coating, inhibit the precipitation of Laves phase, and improve the microhardness and wear resistance of the coating.

laser cladding; ultrasonic vibration; high-temperature alloy coating; friction and wear; element segregation

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.02.017

TG174.4；TB559

A

1674-6457(2024)02-0137-12

2023-10-30

2023-10-30

國家自然科學基金（52275224，52375223）；徐州市基礎研究計劃面上項目（KC23075）

The National Natural Science Foundation of China (52275224, 52375223); Fundamental Research Program of Xuzhou (KC23075)

牛慶偉, 郝敬賓, 紀皓文, 等. 超聲輔助激光熔覆IN 625高溫合金涂層組織及性能研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 137-148.

NIU Qingwei, HAO Jingbin, JI Haowen, et al. Microstructure and Properties of IN 625 High-temperature Alloy Coating by Ultrasonic Assisted Laser Cladding[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 137-148.

（Corresponding author）