序言

随着航空航天工程的急剧发展，其关键部件材 料的服役机能面对愈发严格的挑战[1-2].Ti60合金是 我国自主研发的600℃高温钛合金，拥有高比强度、、 优异的常和善高温机能，是制作航空发起机叶盘、、 叶片等部件的梦想资料[3-4].目前，压气机叶盘等高 温钛合金部件往往选取整体铸造和机加工的方式生 产，造成严重的资料浪费[5].

增材制作技术拥有无需模具、、近净成形等特点， 与传统制作步骤相比，可能削减资料浪费、、降低生 产成本，已经成为航空航天高机能金属部件制作和 修复的关键技术[6-7].其中，电弧增材制作由电弧焊 接技术发展而来，拥有很高的沉积效能和较低的生 产成本，在制作大尺寸部件方面展示出显著优势[8-9].此外，相对于激光等高能束热源，电弧的能量密度 较低，熔池的深宽比力小，不易产生工艺性气孔.在高致密度、、高委顿机能资料的制作方面，极具发 展远景[1,6,10].但是，目前电弧增材制作的原资料大局 仅局限于丝材.随着航空航天资料的发展，好多高性 能资料难以拉拔成尺寸均匀的丝材.相对而言，粉末 大局的原资料更容易制备，并且可能越发矫捷地改 变元素成分[11-12].

因而，将电弧热源与粉末原资料搭配，能够实 现资料成分的矫捷调控，并有望制作高致密度、、高 机能的部件.然而，由于电弧力的作用，粉末容易被 吹飞形成飞溅，很难实现不变的溶解和沉积[13].电弧 等离子体重要由带电粒子组成，这些粒子在磁场中 会受到洛伦兹力，从而扭转其原有的活动轨迹，最 终影响电弧的力热散布个性[14-15].国内外学者在电 弧焊接/增材制作过程中施加磁场，钻研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 成形的有效伎俩[14,16]；；；合理的磁场大局还可能克制 柱状晶的形成，细化资料的微观组织[17-18].

为此，文中在TIG电弧熔粉增材制作过程中施 加横向静磁场，进展通过扭转电弧个性，不变焊接 过程.以Ti60合金为例，钻研了电流对成形尺寸的 影响法规，以及试样的微观组织和力学机能.

1、、试验步骤

文当选取的增材制作基板为100mm×40mm×10mm的TC4钛合金.沉积金属原资料为旋转 电极法制备的Ti60合金粉末，其描摹和粒径统计如 图1所示.筛选出粒径大于150 ?m的粉末用于电弧 熔粉增材制作，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 ?m ~150 ?m）和激光粉末床熔融技术（15 ?m ~53 ?m）的梦想尺寸领域之外，可能降低资料成本[19].TC4基板和Ti60粉末的合金元素成分如表1所 示.

表 1 基板及粉末资料的化学成分（质量分数，%）

磁场辅助TIG电弧熔粉增材制作步骤道理和装 置如图2所示.首先，在基板理论均匀地铺一层粉末，TIG电弧由粉末层上方扫过.陪伴着电弧的加热和离 开，粉末经历溶解和凝固过程，形成沉积层.不休重 复上述的铺粉和电弧加热过程，进行资料的逐层沉 积叠加，实现指标部件的增材制作.

磁场辅助TIG电弧熔粉增材制作装置重要由TIG焊枪、、送粉装置、、励磁装置、、水冷铜夹具和平 台等重要部门组成.在外加横向静磁场的作用下，电 弧个性及其对粉末的作用成效可能产生扭转.此外， 在基板外围装夹水冷铜，一方面通过加快熔融金属 的冷却速度，改善合金的微观组织和力学机能；；；另 一方面减小基板的变形和残存应力.选取高速摄像 机对增材制作过程中的粉末活动和溶解行为进行拍 摄.钻研中重要选取的工艺参数如表2所示.焊接电 源的电流输出模式为方波脉冲模式.

表 2 重要工艺参数

如图3所示截取试样，对磁场辅助TIG电弧熔 粉增材制作的Ti60合金墙体试样的力学机能和微 观组织进行表征.选取全能力学试验机进行常温拉 伸测试.将金相试样的横截面选取SiC砂纸研磨，SiO₂悬浊液抛光，而后配制Kroll试剂（1 mL HF、、6 mL HNO₃和43 mL H₂O）进行金相侵蚀，借助扫 描电子显微镜进行组织拍摄.

2、、了局与会商

2.1 粉末飞溅景象及磁场辅助克制

借助高速摄像机拍摄了通例电弧熔粉增材制作 过程中的粉末飞溅景象，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.峰值电流功夫，电弧的宽度较大，且随着电弧的向 前移动，粉末飞溅景象持续产生.当转变到基值电流 功夫，电弧的宽度显著减小，电弧前端接触不到未 产生溶解的粉末层.故在此功夫段险些不产生粉末 飞溅.飞溅景象因脉冲工艺拥有显著的周期性.

借助高速摄像机拍摄了2mT磁场下的粉末飞 溅景象，如图5所示.施加磁感应强度为2 mT的横 向磁场后，电弧描摹产生显著变动，由对称的钟罩 形转变为向后侧偏转，电弧前侧的宽度显著减小， 后侧的宽度显著增长.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显著减 少，飞溅距离显著减小.

2.2 成形工艺钻研及粉末溶解行为分析

通过单道沉积试验，钻研了电流对磁场辅助TIG电弧熔粉增材制作宏观成形的影响，其理论形 貌和截面成形如图6所示.在小电流前提下，焊道宽 度很小，且极度不均匀.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 合缺点的风险.此时只有中心焊道处的金属实现了 有效沉积.随着电流的增长，焊道的描摹逐步变得美 观，宽度大幅增长，均匀性显著改善，球化金属显 著削减.

进一步定量钻研了电流对熔宽、、熔深和余高档 截面成形尺寸的影响，如图7所示.随着电流的提高， 熔宽大幅增长.当电流达到110 A后，熔宽的增长幅 度显著减小.熔深随着电流的提高根基呈线性增长 趋向.熔宽和熔深的增长重要归因于对粉末和基板 金属热输入的增大.余高比力不变，受电流影响较小.这是由于，在电流较小时，焊道内的有效沉积金属 较少，造成余高较。
；；；电流较大时，金属的铺展宽 度增长，也会导致余高减小.

为了探索这种景象的成因，选取高速摄像机拍 摄了均匀电流125 A，磁感应强度2 mT前提下的粉 末溶解行为，如图8所示.电弧前端的低温区首先与 粉末接触并逐步向前移动.这部门粉末在其加热下 产生溶解并荟萃成“熔滴”.这一景象与激光增材制 造中的“球化”景象类似[20].随着电弧的持续加热和 电弧更高温度区域的达到，更多的粉末产生溶解， 并入熔滴中使其长大.当相邻的两个熔滴长大到足以相互接触时，会产生归并，形成一个新的、、更大 的熔滴.熔滴不愿定呈规定的球状，有些会呈椭球形 或其他不规定状态.随着电弧高温区及其下方的熔 池持续向前移动，熔滴与熔池前端接触.在理论张力 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 间增长，熔池产生显著的震荡.在5 Hz的低频脉冲 前提下，上述熔滴形成、、长大和过渡的过程重要发 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，只陪伴着很小水平的熔滴形成和长大.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 下出现周期性变动特点.

此外，在小电流前提下，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 这种状态，如图6 (a)所示.

磁场辅助TIG电弧熔粉增材制作与激光粉末床 熔融过程中的粉末溶解行为示意图如图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 散布，粉末在其作用下出现出固态粉末、、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，因而在沉积过程中不发 生熔滴过渡景象.

2.3 力学机能及微观组织分析

选取均匀电流125 A，磁感应强度2 mT，单层 双道的工艺参数制作了Ti60合金墙体试样，其宏观 成形如图10所示.试样成形优良，由于水冷铜的约 束，试样侧壁平直，且理论存在一层未溶解的粉末.

截取横向和纵向试样进行常温拉伸机能测试， 并统计其抗拉强度和断后伸长率的均匀值，如图11所示.横向抗拉强度均匀值为1047.0 MPa，断后伸长 率为14.1%.纵向抗拉强度和断后伸长率均匀值别离 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，试样拥有较高的抗拉 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.由于冷却速度较快，且合金中β不变元素含量 很少，室温下为网篮状散布的马氏体组织.

在后续焊道的热处置作用下，马氏体组织产生 分化，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分歧，转变后的组 织也分歧，将其分为基体区和层带区.基体区微观组 织如图13所示，α板条呈互订交错的网篮状散布.少量的细长的β相散布在α板条的天堑处，β相的 面积占比仅有3.9%.α板条的均匀长度为4.3 ?m，平 均宽度为1.2 ?m.

层带区的微观组织如图14所示，β相含量显著 增长，达到10.1%.且β相在α板条天堑处陆续散布， 可能齐全地勾画出α板条的状态.此处α板条的均匀 长度为4.9 ?m，均匀宽度为1.5 ?m.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描摹如图15所示， 均出现韧窝特点，批注其断裂模式为微孔荟萃型断 裂，合金拥有优良的塑性.合金的优异塑性重要归因 于马氏体组织的转变.转变后形成的α+β网篮组织， 有利于提高资料的协调变形能力，实现优异的塑性.

3、、结论

(1) 在 TIG 电弧熔粉增材制作过程中，施加横向磁场，可能使电弧产生偏转，扭转电弧力的散布，显著克制粉末飞溅景象.

(2) 通过扭转电流能够有效调节焊道的宏观成形，显著增大熔宽和熔深，削减球化金属并使焊道变得越发均匀.

(3) 在电弧作用下，粉末出现出怪异的溶解过程，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：拥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.使合金在拥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；；；重要钻研方向为高效智能化焊接步骤及设备；；；Email: qjsun@hit.edu.cn

刘一搏（通讯作者），博士，教授；；；重要钻研方向为轻-异质金属衔接冶金；；；Email: ybliu0701@hit.edu.cn.

（注，原文标题：Ti60合金磁场辅助TIG电弧熔粉增材制作工艺）