面向航空航天高性能部件的Ti60合金磁场辅助电弧熔粉增材制造创新与表征——横向静磁场偏转电弧抑制粉末飞溅，系统研究电流对成形尺寸的调控作用及粉末“固态-熔滴-熔池”三态转化机制，分析基体区/层带区微观组织差异，突破丝材限制实现近净成形

序言

随着航空航天工程的快速发展，其关键部件材 料的服役性能面临愈发严峻的挑战[1-2].Ti60合金是 我国自主研发的600℃高温钛合金，具有高比强度、 优异的常温和高温性能，是制造航空发动机叶盘、 叶片等部件的理想材料[3-4].目前，压气机叶盘等高 温钛合金部件往往采用整体锻造和机加工的方式生 产，造成严重的材料浪费[5].

增材制造技术具有无需模具、近净成形等特点， 与传统制造方法相比，能够减少材料浪费、降低生 产成本，已经成为航空航天高性能金属部件制造和 修复的关键技术[6-7].其中，电弧增材制造由电弧焊 接技术发展而来，具有很高的沉积效率和较低的生 产成本，在制造大尺寸部件方面展现出明显优势[8-9].此外，相对于激光等高能束热源，电弧的能量密度 较低，熔池的深宽比较小，不易产生工艺性气孔.在高致密度、高疲劳性能材料的制造方面，极具发 展前景[1,6,10].但是，目前电弧增材制造的原材料形式 仅局限于丝材.随着航空航天材料的发展，很多高性 能材料难以拉拔成尺寸均匀的丝材.相对而言，粉末 形式的原材料更容易制备，并且能够更加灵活地改 变元素成分[11-12].

因此，将电弧热源与粉末原材料搭配，可以实 现材料成分的灵活调控，并有望制造高致密度、高 性能的部件.然而，由于电弧力的作用，粉末容易被 吹飞形成飞溅，很难实现稳定的熔化和沉积[13].电弧 等离子体主要由带电粒子组成，这些粒子在磁场中 会受到洛伦兹力，从而改变其原有的运动轨迹，最 终影响电弧的力热分布特性[14-15].国内外学者在电 弧焊接/增材制造过程中施加磁场，研究其对焊接过程的影响，发现磁场是调控电弧、熔滴过渡和焊缝 成形的有效手段[14,16]；合理的磁场形式还能够抑制 柱状晶的形成，细化材料的微观组织[17-18].

为此，文中在TIG电弧熔粉增材制造过程中施 加横向静磁场，期望通过改变电弧特性，稳定焊接 过程.以Ti60合金为例，研究了电流对成形尺寸的 影响规律，以及试样的微观组织和力学性能.

1、试验方法

文中采用的增材制造基板为100mm×40mm×10mm的TC4钛合金.沉积金属原材料为旋转 电极法制备的Ti60合金粉末，其形貌和粒径统计如 图1所示.筛选出粒径大于150 µm的粉末用于电弧 熔粉增材制造，一方面粉末的质量较大，不容易被 吹飞；另一方面，该粒径在激光定向能量沉积（53 µm ~150 µm）和激光粉末床熔融技术（15 µm ~53 µm）的理想尺寸范围之外，能够降低材料成本[19].TC4基板和Ti60粉末的合金元素成分如表1所 示.

表 1 基板及粉末材料的化学成分（质量分数，%）

磁场辅助TIG电弧熔粉增材制造方法原理和装 置如图2所示.首先，在基板表面均匀地铺一层粉末，TIG电弧由粉末层上方扫过.伴随着电弧的加热和离 开，粉末经历熔化和凝固过程，形成沉积层.不断重 复上述的铺粉和电弧加热过程，进行材料的逐层沉 积叠加，实现目标部件的增材制造.

磁场辅助TIG电弧熔粉增材制造装置主要由TIG焊枪、送粉装置、励磁装置、水冷铜夹具和平 台等主要部分组成.在外加横向静磁场的作用下，电 弧特性及其对粉末的作用效果能够发生改变.此外， 在基板外围装夹水冷铜，一方面通过加快熔融金属 的冷却速率，改善合金的微观组织和力学性能；另 一方面减小基板的变形和残余应力.采用高速摄像 机对增材制造过程中的粉末运动和熔化行为进行拍 摄.研究中主要采用的工艺参数如表2所示.焊接电 源的电流输出模式为方波脉冲模式.

表 2 主要工艺参数

如图3所示截取试样，对磁场辅助TIG电弧熔 粉增材制造的Ti60合金墙体试样的力学性能和微 观组织进行表征.采用万能力学试验机进行常温拉 伸测试.将金相试样的横截面采用SiC砂纸研磨，SiO₂悬浊液抛光，然后配制Kroll试剂（1 mL HF、6 mL HNO₃和43 mL H₂O）进行金相腐蚀，借助扫 描电子显微镜进行组织拍摄.

2、结果与讨论

2.1 粉末飞溅现象及磁场辅助抑制

借助高速摄像机拍摄了常规电弧熔粉增材制造 过程中的粉末飞溅现象，如图4所示.在峰值电流时 间，电弧的前端与粉末直接接触.大量的粉末在电弧 力的作用下脱离粉末层，向前方飞出，形成飞溅.峰值电流时间，电弧的宽度较大，且随着电弧的向 前移动，粉末飞溅现象持续发生.当转变到基值电流 时间，电弧的宽度显著减小，电弧前端接触不到未 发生熔化的粉末层.故在此时间段几乎不产生粉末 飞溅.飞溅现象因脉冲工艺具有明显的周期性.

借助高速摄像机拍摄了2mT磁场下的粉末飞 溅现象，如图5所示.施加磁感应强度为2 mT的横 向磁场后，电弧形貌发生明显变化，由对称的钟罩 形转变为向后侧偏转，电弧前侧的宽度明显减小， 后侧的宽度显著增加.电弧前端等离子流的方向由 前下方转变为正下方，产生飞溅的粉末数量明显减 少，飞溅距离显著减小.

2.2 成形工艺研究及粉末熔化行为分析

通过单道沉积试验，研究了电流对磁场辅助TIG电弧熔粉增材制造宏观成形的影响，其表面形 貌和截面成形如图6所示.在小电流条件下，焊道宽 度很小，且非常不均匀.在焊道周围存在大量断续分 布的球化金属，显著增大了多道沉积时的产生未熔 合缺陷的风险.此时只有中心焊道处的金属实现了 有效沉积.随着电流的增加，焊道的形貌逐渐变得美 观，宽度大幅增加，均匀性明显改善，球化金属显 著减少.

进一步定量研究了电流对熔宽、熔深和余高等 截面成形尺寸的影响，如图7所示.随着电流的提高， 熔宽大幅增加.当电流达到110 A后，熔宽的增加幅 度显著减小.熔深随着电流的提高基本呈线性增加 趋势.熔宽和熔深的增加主要归因于对粉末和基板 金属热输入的增大.余高比较稳定，受电流影响较小.这是因为，在电流较小时，焊道内的有效沉积金属 较少，造成余高较小；电流较大时，金属的铺展宽 度增加，也会导致余高减小.

为了探究这种现象的成因，采用高速摄像机拍 摄了平均电流125 A，磁感应强度2 mT条件下的粉 末熔化行为，如图8所示.电弧前端的低温区首先与 粉末接触并逐渐向前移动.这部分粉末在其加热下 发生熔化并聚集成“熔滴”.这一现象与激光增材制 造中的“球化”现象类似[20].随着电弧的持续加热和 电弧更高温度区域的到达，更多的粉末发生熔化， 并入熔滴中使其长大.当相邻的两个熔滴长大到足以互相接触时，会发生合并，形成一个新的、更大 的熔滴.熔滴不一定呈规则的球状，有些会呈椭球形 或其他不规则形状.随着电弧高温区及其下方的熔 池继续向前移动，熔滴与熔池前端接触.在表面张力 作用下，熔滴中的液态金属被“吸入”熔池中，完 成“过渡”.熔池在吸入熔滴的液态金属后，体积瞬 间增加，熔池发生明显的震荡.在5 Hz的低频脉冲 条件下，上述熔滴形成、长大和过渡的过程主要发 生在峰值电流时段.基值电流时段电弧的能量较低， 尺寸较小，只伴随着很小程度的熔滴形成和长大.总之，粉末在电弧加热下，经历形成熔滴-熔滴长大-熔滴过渡等多个阶段实现沉积，并在低频脉冲工艺 下呈现周期性变化特征.

此外，在小电流条件下，熔池的宽度较小.两侧 的粉末只受到电弧低温区的加热，经历熔滴的形成 和长大，但无法过渡到熔池中，最终在凝固后保留 这种形状，如图6 (a)所示.

磁场辅助TIG电弧熔粉增材制造与激光粉末床 熔融过程中的粉末熔化行为示意图如图9所示.由于 电弧热源的能量密度较低，且由中心向周边呈缓降 分布，粉末在其作用下呈现出固态粉末、熔滴和熔 池3种状态.而激光束的能量密度极高，通常只存在固态粉末和熔池2种状态，因此在沉积过程中不发 生熔滴过渡现象.

2.3 力学性能及微观组织分析

采用平均电流125 A，磁感应强度2 mT，单层 双道的工艺参数制造了Ti60合金墙体试样，其宏观 成形如图10所示.试样成形良好，由于水冷铜的约 束，试样侧壁平直，且表面存在一层未熔化的粉末.

截取横向和纵向试样进行常温拉伸性能测试， 并统计其抗拉强度和断后伸长率的平均值，如图11所示.横向抗拉强度平均值为1047.0 MPa，断后伸长 率为14.1%.纵向抗拉强度和断后伸长率平均值分别 为1036.9 MPa和15.4%.与横向相比，强度轻微降 低，塑性小幅提高.总体而言，试样具有较高的抗拉 强度和优异的断后伸长率.

单层单道沉积试样沉积区的微观组织如图12所示.由于冷却速率较快，且合金中β稳定元素含量 很少，室温下为网篮状分布的马氏体组织.

在后续焊道的热处理作用下，马氏体组织发生 分解，转变为α板条+板条间β相的网篮组织[21].不 同区域的受热温度和热循环次数不同，转变后的组 织也不同，将其分为基体区和层带区.基体区微观组 织如图13所示，α板条呈互相交错的网篮状分布.少量的细长的β相分布在α板条的边界处，β相的 面积占比仅有3.9%.α板条的平均长度为4.3 µm，平 均宽度为1.2 µm.

层带区的微观组织如图14所示，β相含量明显 增加，达到10.1%.且β相在α板条边界处连续分布， 能够完整地勾勒出α板条的形状.此处α板条的平均 长度为4.9 µm，平均宽度为1.5 µm.与基体区相比， 板条长度和宽度有所增大.

横向和纵向拉伸试样的断口形貌如图15所示， 均呈现韧窝特征，表明其断裂模式为微孔聚集型断 裂，合金具有良好的塑性.合金的优异塑性主要归因 于马氏体组织的转变.转变后形成的α+β网篮组织， 有利于提高材料的协调变形能力，实现优异的塑性.

3、结论

(1) 在 TIG 电弧熔粉增材制造过程中，施加横向磁场，能够使电弧发生偏转，改变电弧力的分布，显著抑制粉末飞溅现象.

(2) 通过改变电流可以有效调节焊道的宏观成形，显著增大熔宽和熔深，减少球化金属并使焊道变得更加均匀.

(3) 在电弧作用下，粉末呈现出独特的熔化过程，经历了熔滴形成、熔滴长大和熔滴过渡阶段.

(4) 多道沉积的墙体试样的微观组织为：具有较小尺寸和长径比的 α 板条+少量板条间 β 相的网篮组织.使合金在具有较高抗拉强度的基础上，兼具优异的韧性.

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作者简介：孙清洁，博士，教授；主要研究方向为高效智能化焊接方法及装备；Email: qjsun@hit.edu.cn

刘一搏（通信作者），博士，教授；主要研究方向为轻-异质金属连接冶金；Email: ybliu0701@hit.edu.cn.

（注，原文标题：Ti60合金磁场辅助TIG电弧熔粉增材制造工艺）