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基于焊接的镍基高温合金增材再制造技术解析

镍基高温合金凭借其耐高温、耐腐蚀、耐复杂应力等性能，在制作涡轮发动机工作叶片、导向叶片、飞机发动机以及工业用燃气轮机等高温零部件方面具有广泛的适用性，也因此被称作“发动机的心脏”。但当这些零部件在高温、复杂应力，特别是在海水中等复杂环境下工作时，容易产生裂纹、磨损、断裂和腐蚀等，致使零部件大量报废。采用增材再制造技术对废旧零部件“再制造”，可使其价值得到最大程度的发挥，获得巨大的经济收益。

增材再制造技术就是利用增材制造技术对废旧零部件进行再制造修复：

首先，利用数字加工的一些原理扫描出零部件的3维数字模型；

然后，对数字模型进行后处理，得出缺损部分的3维数字模型；

最后，通过一层一层向上叠加的方式直接快速加工出缺损部分。

其建立在数控CAD/CAE/CAM 、焊接、新材料等已有的成熟技术基础之上，核心理念是“逐层叠加、分层成形”。自20世纪开始，美国就在B-52轰炸机和M1坦克等军用装备上进行了增材再制造，并将武器系统的更新换代和再制造技术列为国防科技重点研究领域。国内也成功地将增材再制造技术应用在各种军用装备上，产生了巨大的经济效益。由于增材再制造技术本身还不够成熟，目前研究尚处于初级阶段，因此存在许多亟待解决的问题。为此，对基于焊接的增材再制造技术研究现状进行简要介绍，通过对比不同焊接工艺，提出未来发展的研究热点。

钨极氩弧焊（GasTungstenArcWelding， GTAW）是以钨棒作为电弧一极的气体保护电弧焊。其应用非常灵活，尤其是与激光熔覆相比，可以更容易地处理铜、铝、镁等有色金属的增材再制造。此外，其弧长及电弧稳定性好，焊接电流下限不受焊丝熔滴过渡等因素制约，最低焊接电流可用到2A。但它自身仍有一些不足：一方面，钨极的承载能力有限，过大电流容易使钨极烧损，从而限制了熔深；另一方面，随着电流的增大，钨极电弧的发散变得严重，使得熔池成形之后塌陷，严重影响成形质量。

影响GTAW工艺的因素主要有焊接电流、钨极直径、弧长、电弧电压及焊速等。其中：焊接电流是决定GTAW焊缝成形的关键参数，当其他条件不变时，焊接电流的增加可导致电弧压力、热输入及弧柱直径增加，使焊缝熔深、熔宽增大；弧长范围通常为0．5～3．0mm，当成形件变形小时，弧长取下限，否则取上限；焊接速度是调节GTAW热输入和焊道形状的重要参数，焊接电流确定后，焊速有相对应的取值范围，超过该范围上限，易出现裂纹、咬边等缺陷。

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以等离子弧为焊接热源的增材再制造方法称为等离子增材再制造（PlasmaAdditiveＲemanufactu-ring，PAＲ）。其中，等离子弧是一种压缩的钨极氩弧，钨极氩弧最高温度为10000～24000K，能量密度小于104W/cm2 ，而等离子弧的温度高达24000 ～50000K，能量密度可达106～108W/cm2。依靠喷嘴的机械压缩作用，同时伴随着最小电压原理产生的热压缩以及弧柱本身的电磁压缩，使等离子弧的能量密度远远超过钨极氩弧，甚至能够达到激光的能量密度，图1为二者电弧形态的对比，自由电弧的扩散角约为45°，等离子弧则仅有5°。

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