双向还是单向？WAAM3D打印IN625合金的沉积策略优化指南

在增材制造技术快速发展的今天，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。

实验结果表明，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。

这些发现为WAAM技术在高性能构件制造中的应用提供了重要的技术参考。

高温合金制造的技术挑战

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

在航空发动机、核电设备等苛刻环境中扮演着不可替代的角色。

然而，这种高性能合金在传统制造中却面临着严峻挑战。

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分析结果可以看出，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加工过程中面临着巨大的挑战，不仅导致生产成本居高不下，材料利用率也不高。

CMT-WAAM系统：工艺创新的基石

图2向我们展示了一套令人印象深刻的CMT-WAAM系统配置。

这套系统的核心组件包括：一台配备了先进控制系统的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设备中比较常见，故本研究的内容具有一定普适性。

工艺参数优化与创新突破

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。

特别值得关注的是，研究团队地建立了焊道高宽比评价体系。

从图3(c)展示的8组不同横截面形貌中，我们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。

有意思的成果体现在图4的沉积策略对比中。

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。

微观组织演化：双向沉积的关键突破

在WAAM技术领域，微观组织控制一直是困扰研究者的关键难题。

图6为我们揭示了：

双向沉积策略正在从根本上改变着材料的微观结构。

在图6(a)中，我们可以清晰地观察到单向沉积样品中的柱状晶（Columnar grains）生长特征。

这种典型的定向凝固组织往往导致性能的各向异性。

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。

这种梯度化的组织分布，完美诠释了增材制造过程中复杂的热历史演变。

通过精确的定量分析，研究团队发现双向沉积策略可以显著减小枝晶间距。

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。

性能评估：令人振奋的突破性进展

双向沉积策略带来的性能提升非常直接！

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。

材料的耐磨性能提升也很直观！

耐磨性能测试设备搭建：

图12展示的摩擦磨损测试结果让我们看到了双向沉积策略的直接优势。

从图12(a)的摩擦系数曲线可以清晰地观察到，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%。

扫描电镜观察结果、为我们展现了更深层的磨损机理。

在单向沉积样品中（图13 a-b），我们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。

AM易道最后聊两句

通过这项系统性的研究，我们看到了沉积策略对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值得关注：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），可以作为工艺开发的基础参考。

其次，研究发现层间等待时间的控制至关重要。

通过设置2分钟的层间冷却时间，可以有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有重要的指导意义。

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够，还需要根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。

研究中采用的表征方法和评价体系，可以作为工艺开发过程中的重要参考。

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越来越重要的作用。

希望本文的研究能够带来启发。更多研究细节请参考文末的DOI信息。

Reference: 1.https://doi.org/10.1007/s11665-024-10482-x