激光近净成形(LENS)增材制造Inconel 718-铜合金双金属结构

图0 一体化多金属复合材料外包裹推力室组件的中心，是由3D打印的整体通道式铜燃烧室组成（来自：NASA）图1.LENS系统的基本布局和流动部分.图2.在Inconel 718上沉积GRCop-84的最初尝试失败的图像:(a)作为制造的大块样品，(b)显示GRCop-84在Inconel 718上的弱结合和差扩散以及(c)GRCop-84在其自身和Inconel 718上的弱结合和差扩散。图3.Inconel 718和GRCop-84制成的双金属结构:(a)用于测试的未切割正方形样品几何形状，(b)样品横截面，和(c)组成界面的光学图像。图4.(a) LENS沉积的GRCop-84的SEM图像，显示小的分散沉淀物，(b) GRCop-84-Inconel 718界面，(c)晶界上的沉淀物积聚，以及(d)GRCop-84-Inconel 718界面上沉淀物积聚的反向散射图像。图5.使用EDS绘制样品横截面的元素图，显示通过界面(a) Cu向(b) Ni的转变。(c)成分渐变图，显示了界面上Cu到Ni的逐渐变化。图6.x射线衍射分析通过Inconel 718, GRCop-84，和界面。图7.双金属结构界面上的硬度分布。“0”深度表示GRCop-84区域中横截面的顶部。图8.铬镍铁合金718和GRCop-84、GRCop-84沉积物和铬镍铁合金718的双金属结构的热扩散率随温度的变化。图9 LENS 制造的样品在压缩前后的试样实物图 图10 LENS制备的In718、GRCop-84以及双金属合金的压缩应力Vs应变结果，其中A表示沉积态，T表示热循环之后的结果 。图11 LENS制备的In718、GRCop-84以及双金属合金的压缩强度和弹性模量。图12 LENS制备的双金属的背反射真的横截面照片：(a) 沉积态在压缩前的结果； (b)沉积态在压缩时； (c)热循环之后的压缩
3D 打印喷嘴的热火试验（图自：NASA / MSFC，David Olive 摄）

江苏激光联盟导读：

本文主要介绍了使用激光近净成形（LENS）制造In718-铜合金双金属结构的组织和性能。

1.背景介绍

与单一材料结构相比，具有不同功能的多材料结构可以为工程问题提供独特的解决方案。这种方法之前已经被测试过，以额外产生各种多材料结构，从钛、CoCrMo 、不锈钢和铬镍铁合金基复合材料。增材制造的多材料结构已经证明在诸如硬度等性能方面的改进、耐磨性，甚至弹性模量的降低于单一金属/合金零件相比。这种通过材料设计进行的改进是我们研究的主要焦点，其中两种航空合金——铜基合金GRCop-84 (Cu-6.5 wt.%Cr-5.8 wt.% Nb)和镍基合金Inconel718 (52 wt.%Ni–19 wt.%Fe –18 wt.%Cr – 5 wt.%(Nb + Ta) – 3 wt.%Mo和其它元素)结合在一起以制造具有增强的热物理性能的双金属结构。

沉淀强化GRCop-84是为再生冷却主燃烧室(MCC)和喷嘴衬套开发的火箭发动机材料。GRCop-84具有非常高的导热性，在高温强度与低热膨胀和增强的抗氧化性之间取得了令人满意的平衡,它还为温度高达700°C的高热通量区域的特殊应用提供了巨大的希望.同时，Inconel 718是一种镍基高温合金，是一种应用广泛的耐高温腐蚀材料。由于其优异的抗拉伸性、抗疲劳性和抗蠕变性、高断裂强度以及在高达1000°C的高温下显著的抗氧化性，它在航空航天工业中，尤其是在燃气轮机和火箭发动机中被广泛接受.然而，它具有较低的热导率，这降低了该材料作为导热衬垫的效率。因此，通过在Inconel718上沉积GRCop-84，Inconel 718的导热性将得到改善，同时保持Inconel 718在高温下的高强度。因此，得益于两种合金明显不同的性质，双金属结构具有增强的热物理和机械性质。

虽然GRCop-84的典型生产方法是通过快速凝固和粉末冶金技术，但是三种常规的已经报道了固结方法——直接挤压、热等静压(HIPing)和真空等离子喷涂(VPSing)。粉末的热等静压和直接挤压用于生产致密的GRCop-84棒材和板材，但是这些工艺还没有被用于制造双金属结构，并且它们可能非常困难的，如果不是不可能的话，来处理多材料结构，包括涂层应用。与此同时，真空等离子喷涂已经成功地用于通过涂层工艺制造火箭发动机衬套和功能梯度材料(FGM).然而，VPS是相对高成本和复杂的工艺。为了生产独立的结构，需要使用心轴，并且其涂覆工艺与高残余应力相关，导致微裂纹和飞溅边界.相反，通过定向能量沉积的快速原型制造，例如激光工程净成形，可以通过逐层沉积产生自由形式的固体结构，并且这可以应用于多材料结构制造以及独特功能的特定区域的涂覆工艺。

双金属结构主要由两种材料组成，这两种材料或者以功能梯度材料的形式连接在一起，或者以界面明确的方式直接结合在一起。功能梯度材料在界面上包含梯度成分，一种材料缓慢转变为另一种材料.由于最终结构可能具有独特的结构、热和机械性能，功能梯度材料与单一金属零件相比具有许多优点。LENS是一种定向能沉积(DED)增材制造系统，可按需生产FGM结构。利用这种能力，可以生产具有不同几何形状和功能的FGM和直接结合的结构。在本研究中，LENS用于加工Inconel 718和GRCop-84的双金属结构，以测量基于不同界面成分的工艺-性能关系。研究了激光加工参数对界面微观结构、硬度和热性能的影响，以评估LENS加工作为这些双金属结构可行制造方案的可行性。

2. 材料和方法

激光工程净成形(LENS)技术可以根据计算机辅助设计(CAD)文件直接设计制造三维的组件。LENS是一种将金属粉末直接注入熔池的系统，熔池由聚焦的高功率连续波Nd-YAG激光束在基底上形成。LENS加工室用氩气吹扫，以保持氧气和水分含量小于百万分之十(ppm ),防止熔融金属氧化。图1 显示了我们的LENS系统的内室，包括所有沉积组件。使用氩气作为载气，通过沉积头中的喷嘴从粉末进料器输送金属粉末。多个粉末进料器可以在一次制造中输送多种材料，允许制造双金属和多材料结构。

有关LENS处理的更多详情，请参见参考文献。扫描速度、线间距、层厚、粉末流速和激光功率是影响构建质量的一些主要工艺参数，需要仔细优化以制造高质量的零件。对于双金属结构的透镜加工，使用Inconel 718粉末、GRCop-84粉末和Inconel 718板作为基底。两种粉末都在合适的粒度范围为45-150微米(筛孔尺寸为100/+325)用于LENS加工。选择了两种不同的方法:(1)直接GRCop-84在Inconel718上的沉积和(2)GRCop-84和Inconel 718的组成梯度。对于组成梯度，预混合粉末的重量百分比为50 wt .%铬镍铁合金718 + 50重量%。% GRCop-84，并在沉积100%GRCop-84之前沉积在Inconel 718上。改变初始LENS加工参数以制造不同高度的17.5平方毫米样品。

3.结果

3.1.Inconel 718到GRCop-84双金属结构的LENS加工

金属粉末在LENS加工过程中的结合机理主要是由于粉末颗粒的局部熔化和随后的凝固。双金属结构的初步尝试表明，GRCop-84在Inconel 718中扩散不良，如图2所示。金属块和球团现象造成的表面质量很差，如图2a所示，这使得很难建立连续的层。这导致了不充分的结合，因为层只是在截面的某些区域进行了冶金结合，如图2b所示。在修改LENS工艺参数以增加总能量输入后，第一层GRCop-84与基体结合良好，但如图2c所示，在第一层的顶部连续沉积仍然是困难的。为了减轻直接沉积所固有的尖锐界面，采用了成分分级技术。改进的Inconel 718和GRCop -84双金属结构具有更好的表面形貌和结构完整性，通过调整LENS工艺参数来实现，从而进一步增加了单位体积的总能量输入。与第一次尝试相比，可以观察到孔隙度的降低，如图3所示。通过这些修改后的工艺参数，GRCop-84在整个截面上更加均匀地粘合在一起。

3.2.微观结构分析

SEM图像显示，GRCop-84沉积物的主体包含高密度的Cr2Nb颗粒，其平均沉淀尺寸为0.46±0.13微米，如所示图4a。相同的Cr2Nb颗粒界面的平均直径为0.64±0.23微米，图4d.颗粒还存在团聚，并且在相间区域发现Cr2Nb颗粒的清晰界定的致密区域，具有少量看起来富含铬的沉淀物。本体中Cr2Nb沉淀物的进一步比较表明，与界面相比，形成了更均匀分布的沉淀物。在晶粒结构中也观察到颗粒的不均匀分布，沿着晶界有一些沉淀物聚集，图 4c.柱状晶粒结构也存在于基底-沉积物界面，显示出与传热方向相反的晶粒生长。图5a和b分别显示了界面上的Cu和Ni浓度。

镍和铜是主要关注的，因为铜是含有88%铜和0%镍的GRCop-84合金所固有的，而铬镍铁合金718含有最多0.1%的铜和大约52%的镍。线扫描从基底通过组成层进入GRCop-84沉积物，如图5c提供了整个路径上铜和镍检测的定量值。当绘制Ni和Cu的强度作为复合层之间距离的函数来表示结合深度时，这些值开始起作用。当扫描从基底过渡到基底时，观察到平滑的铜-镍交换涂层。在大约100微米和300微米的Cu检测中的小“跳跃”表明Inconel 718和组合层之间的界面，以及组合层和100% GRCop-84之间的界面分别取证。这些“跳跃”超过20微米距离，表明连续的层扩散。此外，在整个组成层中，观察到作为距离的函数的Cu检测的稳定上升，表明在沉积过程中，当Inconel 718被吸向基底时，Cu优先上升到组成层的顶部。图.6示出了界面区域的XRD分析，中间层、Inconel 718和GRCop-84的峰处于不同的衍射角(2θ)彼此一致，并且没有识别出新的峰。

3.3.硬度分布

图7 显示了GRCop- 84和Inconel 718双金属结构界面的硬度分布。与直接沉积相比，可以从组成层中观察到平滑的硬度转变，这表明更陡的梯度。在0.06 mm处从100% GRCop-84过渡到100% Inconel 718的直接沉积结构中，硬度值在0.04 mm和0.08毫米分别从1.38±0.04 GPa上升到2.93±0.06 GPa。在0.10-0.16 mm的范围内，Inconel 718的硬度处于2.93±0.06 GPa的最大值，并且所提供的Inconel 718基底硬度值为2.59 GPa。然而，成分结构在整个界面上具有硬度变化的平滑过渡。峰值硬度值再次出现在热影响区(HAZ ),硬度值为2.95±0.12 GPa，类似于直接沉积结构。

3.4.双金属结构的热扩散率

从热扩散率测量得到的结果被表示为温度的函数，如图8所示。在50 ~ 300℃范围内，Inconel718衬底的热扩散率为2.88±0.01 ~ 3.54±0.01 mm2/s。这与文献中报告的商业可用的Inconel 718板[19]值一致。LENS沉积的GRCop-84在50°C ~ 300°C的扩散系数范围分别为45.67±0.32 ~ 44.18±0.37 mm2/s。这个值大约是商用轧制或挤压GRCop-84的一半，后者在300°C[14]时的热扩散系数值为~ 85 mm2/s。

双金属结构由厚度为0.77mm的Inconel 718基体和厚度为1.22 mm的GRCop-84镀层组成。理论计算结果表明，在50 ~ 300℃范围内，该结构的扩散率范围为14.37 ~ 17.09 mm2/s，介于LENS沉积的GRCop-84和Inconel 718之间。导热系数与热扩散系数直接相关，并计算了双金属体系的理论导热系数。与Inconel 718在50 ~ 300℃的测量电导率范围分别为10.22±0.04 ~ 15.07±0.03 W/m-K相比，双金属体系的理论计算值增加了一倍，在同一温度范围内的电导率变化范围为23.84 ~ 33.77 W/m-K。将双金属视为均匀系统，扩散率测试显示类似的趋势，但值略有下降。在50和300℃之间，双金属的热扩散率范围分别为10.30±0.07至12.33±0.07 mm2/s(图. 8).然而，从50℃到300℃的电导率值分别在42.55±0.27到56.17±0.34 W/m-K的范围内，表明与Inconel 718相比显著增加(图中未显示)。

4.讨论

在LENS工艺中，使用LENS工艺在Inconel 718上沉积GRCop-84是困难的，因为GRCop-84的特殊属性，两种合金的材料性能不匹配，以及LENS工艺过程中输入的能量低，导致开始失效。含铜87.7 wt.%的GRCop -84具有与铜相似的红外激光吸收率低、合金熔体粘度低、导热系数高等性能。事实上，铜的吸收率为红外Nd-YAG激光器(波长1.06μm)的2 - 3%。这意味着超过95%的激光束能量被反射，限制了材料熔化时产生的热量。

上述这些挑战的综合影响转化为图中所示的初始不成功的构建。图2a，由于熔池膨胀和球化现象，形貌较差。金属块的形成也可以归因于较少的能量输入。如图2b和c所示，GRCop-84与Inconel 718以及GRCop-84层之间扩散或结合不良。为了清楚地了解GRCop-84的特殊属性对最初在Inconel 718上沉积的影响，采用了低激光功率。然而，由于GRCop-84的激光吸收较低，需要较高的激光功率来补偿反射热。其次，GRCop-84熔体的低黏度表明，合金的任何熔体运动都是在熔体路径/表面上展开的，并形成一个非常薄的假定层。因此，这需要一些协调的粉末进料速度和z轴移动，以提高熔体的粘度，进而厚度的沉积。同样，由于GRCop -84的高导热性，激光功率产生的热量很快被分散到相邻的层中，这降低了粘合层的局部热的数量。更高的输入能量密度需要来改善这一特殊的金属层之间的键合。

不同材料之间的热导率不匹配也是一个重要的参数。除了热阻延性外，各种因素也会影响经LENS处理的多ma材料系统的物理和化学特性。这些因素包括熔点、热容量和线性热膨胀系数的材料差异。为了在Inconel 718上沉积GRCop -84，实现良好的制备，需要在制备开始时选择性地组合LENS处理参数，以获得最佳结果。

每单位体积的总能量输入(E)表示为LENS加工参数的函数，单位为J/mm3。对于最初的LENS尝试，单位体积的总能量输入为464.34 J/mm3。而对于最终的LENS尝试，如表 1所示总能量每单位体积为1273焦耳/立方毫米。这表明从最初的尝试开始，每单位体积的能量增加了大约270%。这种能量密度的增加是通过改变工艺参数将GRCop-84材料沉积到Inconel 718上而获得的，最终结构如图3。此外，由于优化的参数，GRCop-84在Inconel 718上的扩散得到了改善，这一点已在中得到证明图. 4揭示界面处的微观结构。

XRD分析显示中间层峰与的峰对齐不同衍射角(2θ)下的Inconel 718和GRCop-84，如图6。这表明形成了单相固溶体界面上的选项。这是预料中的，因为镍和铜在其二元平衡相图中形成单相固溶体。因此，在界面处单相的形成表明了强的结合特性和高的界面强度，因为没有两相固溶体形成，这将导致界面处的脆性金属间化合物。还值得注意的是，当XRD峰相互重叠时，在Inconel 718和GRCop-84区域检测到的峰与界面扫描的峰行为一致，可以在的插图中看到图6。这一行为表明该界面具有Inconel 718和GRCop-84单相固溶体的特征。

如所示图7为硬度趋势在界面处移动，然后作为远离界面的距离的函数变得平滑。在成分渐变和直接沉积试样的界面附近观察到硬度的轻微增加。然而，在直接沉积样品中增加更明显。界面区域硬度的增加是由于快速凝固过程(10exp(2)-10exp(4)K/s)通过局部激光重熔。在碳化物颗粒增强钛铝基复合材料中也观察到了类似的趋势.沿着界面也可以看到柱状和细化晶粒结构，以前在另外制造的Inconel 718和铜合金中也有报道。

这是由于由Nd:YAG激光施加的高热梯度产生的定向凝固。当熔池在构建路径中凝固时，由于沿着构建方向的温度梯度，晶粒优先向热源生长。柱状晶粒垂直于与激光加热方向对齐的界面拉长，这在LENS和其他激光束熔化工艺中有大量报道。先前已经在Inconel 718中探索了通过激光操纵晶粒生长方向，其中构建方向极大地影响了材料织构。

界面附近较高的硬度值也可归因于颗粒堆积，如所示图4这种累积并不罕见，因为这种合金的常规制造导致了大量的沉淀。大多数文献只报道了沉淀物的形成，没有可见的晶粒结构，这使得比较沉淀物的位置具有挑战性。然而，类似于我们的观察结果，以前曾报道过在铜基体中有细小分散的Cr2Nb32。此外，在背散射成像中以黑色区域形式出现的富铬沉淀物的存在在合金的其它激光熔融沉积技术中也类似地被发现。据报道，由于Cr2Nb相的稳定性，在温度降至熔化温度以下后会立即发生沉淀。根据冷却速度，可以控制沉淀物的尺寸。凝固速率越快，沉淀物形成的尺寸越小，因为该合金的缓慢冷却已经显示出颗粒尺寸从毫米级增长到厘米级。因此，与常规工艺相比，由快速凝固速率形成的细小Cr2Nb相将强化材料。

Inconel 718的热扩散率和导热率测量结果与报告结果一致而LENS处理的GRCop- 84的热扩散率大约是商业轧制钢板的一半。这种数值上的变化可以用比正常情况下更精细、更复杂的晶粒结构来解释通过常规技术获得。晶界会阻碍热量在材料中的传播，晶粒尺寸越小(即同一区域的晶界越多)，热量流过材料的时间就越长。由于LENS的快速凝固导致晶粒尺寸减小现象，与传统处理的样品相比，LENS处理的GRCop-84的导热系数/导热率值降低也就不足为奇了。此外，沿晶界观察到的Cr2Nb颗粒累积也可能导致该值降低，因为沿晶界的累积也将成为热流的障碍。

有趣的是，无论是实验结果还是理论结果，双金属结构在50–300°C范围内的热扩散率都呈正趋势。这与Inconel 718在相同温度范围内的趋势非常接近，这与GRCop-84沉积物的减少性质相反，如所示图8。这意味着作为温度函数的双金属的热行为仍受衬底材料支配，但仍以较高的速率起作用。

然而，对于给定的双金属样品，沉积在内锥718上的GRCop-84的厚度变化将影响双金属样品的组合密度。因此可以说，在Inconel 718的恒定厚度上沉积的GRCop-84的厚度越高，双金属样品的有效热扩散率/传导率将增加。通过添加GRCop-84有效提高Inconel 718的热扩散率和导热率值，理论和实验结果支持我们的假设，即使用基于激光的添加制造技术(如LENS)可以制造出热物理性能得到改善的双金属结构。

5.结论

用激光近净成形法成功地加工了Inconel 718和GRCop-84双金属结构。诸如激光吸收率、熔化温度、热容量、线性热膨胀系数和热导率等热物理性质的差异等因素极大地影响了结合特性。了解GRCop-84的工艺-性能关系有助于在工艺窗口内开发成功制造双金属结构的策略。选择两种方法来制造双金属结构:在Inconel 718上直接沉积GRCop-84和两种合金的成分渐变。与直接沉积方法相比，成分渐变技术显示了扩散界面，其中铜-镍材料逐渐过渡穿过双金属界面。SEM图像显示界面处的柱状晶粒结构以及沿晶界的Cr2Nb沉淀积聚

和基底-沉积物界面。测得双金属结构的热扩散率为11.33 mm2/s，与纯Inconel 718合金的3.20 mm2/s相比增加了250%。此外，双金属结构的传导率与Inconel 718相比增加了300%。设想这种具有设计的组成的结构分级和定制的热性能将为下一代航空航天结构的多材料金属添加制造开辟可能性。

文章来源：Additive manufacturing of Inconel 718—Copper alloy bimetallic structure using laser engineered net shaping (LENS™)，Additive Manufacturing，Volume 21, May 2018, Pages 133-140，https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.02.007

参考资料：Bond strength measurement for additively manufactured Inconel 718- GRCop84 copper alloy bimetallic joints,Additive Manufacturing,Volume 27, May 2019, Pages 576-585,https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.04.003，End toend process evaluation for additively manufactured liquid rocket engine thrustchambers，ActaAstronautica，doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.02.034