稀土La₂O₃对CMT堆焊Inconel 625合金显微组织和抗高温氧化性能影响学习体会

文献概况与战略意义

Inconel 625（IN625）是一种镍基高温合金，以其优异的抗高温氧化、抗腐蚀和高温强度性能，广泛应用于航空发动机、燃气轮机、核能设备等极端工况环境。国能福泉发电有限公司王晓玲等人在《精密成形工程》2023年第15卷第7期发表的这篇论文，系统研究了稀土氧化物La₂O₃对冷金属过渡（Cold Metal Transfer, CMT）堆焊IN625合金的显微组织和抗高温氧化性能的影响。

该研究由广东省粤港澳大湾区国际科技创新中心建设项目（2022A0505050052）和广东省基础与应用基础研究基金（2021A1515011756）资助，体现了国家对稀土冶金和增材制造交叉领域的战略重视。研究团队来自发电企业、焊接技术公司、科研院所和焊材企业，体现了产学研用的紧密结合。

CMT堆焊工艺与稀土添加技术

CMT焊是一种基于GMAW（气体保护金属弧焊）的脉冲焊接工艺，通过精确控制送丝速度的周期性变化，实现焊丝的"送-停-送"循环，使熔滴在接触熔池前先脱离焊丝，从而显著降低热输入和飞溅。CMT焊特别适合薄板焊接和多层堆焊，因为低热输入可以有效控制热影响区（HAZ）和稀释率。

稀土La₂O₃的添加方式采用静电自组装工艺制备含有1%（质量分数）La₂O₃的IN625药芯焊丝。静电自组装是一种纳米材料制备技术，通过将La₂O₃纳米颗粒均匀分散在焊丝药芯中，确保稀土氧化物在堆焊过程中的均匀分布和有效作用。

微观组织演变分析

稀土La₂O₃的添加对IN625堆焊层的显微组织产生了显著影响：

晶粒细化与形态转变：添加La₂O₃后，金相组织明显细化，且晶粒形态由柱状晶转变为等轴晶。这一转变具有重要的工程意义：

• 柱状晶容易形成平行于焊接方向的连续晶界，为裂纹扩展提供通道。
• 等轴晶消除了柱状晶的取向性，提高了组织的各向同性。
• 晶粒细化通过Hall-Petch关系提高了材料的强度和韧性。

Laves相的变化：基体组织主要为γ-Ni固溶体和少量Laves相（Ni₂Mo或(Ni,Mo)₂Si等）。值得注意的是，添加La₂O₃后Laves相的尺寸反而更为粗大。这一现象看似矛盾，但可以这样理解：La₂O₃的细晶作用使基体晶粒细化，而Laves相作为第二相粒子，在粗大的基体晶粒中可能更容易长大；或者La₂O₃改变了Laves相的形核和长大动力学，促进了Ostwald熟化。

力学性能与抗高温氧化性能

力学性能：添加La₂O₃后，显微硬度从(235.97±2.99)HV0.3增加到(246.53±4.10)HV0.3，抗拉强度从543.12MPa增加到564.25MPa。硬度和强度的提升主要归因于细晶强化（Hall-Petch效应）和固溶强化。

抗高温氧化性能：在高温氧化试验条件下，添加1%La₂O₃的CMT堆焊IN625试样的氧化速率明显小于未添加La₂O₃的原始试样。论文指出，稀土La₂O₃可作为Cr₂O₃氧化物的形核中心，促进致密Cr₂O₃氧化膜的生长。

这一机理非常重要：镍基合金的高温抗氧化性主要依赖于表面形成的Cr₂O₃致密氧化膜。稀土元素的加入通过以下机制促进Cr₂O₃氧化膜的形成和稳定：

1. 形核促进：La₂O₃作为异质形核核心，降低Cr₂O₃的形核能垒。
2. 钉扎效应：稀土氧化物钉扎氧化膜中的晶界，抑制氧化膜的粗化和开裂。
3. 加速扩散：稀土元素促进Cr向合金表面的扩散，维持氧化膜的持续生长。
4. 致密化：促进形成更致密、更连续的Cr₂O₃氧化膜，减少氧化介质的渗透通道。

工程应用价值与PDCA循环思考

从PDCA（Plan-Do-Check-Act）质量管理的角度，该研究为稀土合金化CMT堆焊工艺的工程化应用提供了以下指导：

Plan（计划）：明确稀土添加的目标——提高抗高温氧化性能，同时兼顾力学性能。La₂O₃的添加量需经过优化（本研究为1%，可能存在更优的添加量）。

Do（执行）：采用静电自组装工艺制备药芯焊丝，采用CMT焊进行堆焊。关键工艺参数需严格控制。

Check（检查）：通过金相分析、硬度测试、拉伸试验和高温氧化试验验证稀土添加的效果。

Act（改进）：根据实验结果优化稀土添加量和工艺参数，进一步探索其他稀土元素（如CeO₂、Y₂O₃）的协同效应。

学习心得与延伸思考

这篇文献代表了焊接冶金与稀土冶金交叉领域的前沿研究方向。稀土元素在焊接材料中的应用近年来受到越来越多的关注，其原因在于稀土元素具有独特的"晶界活性"和"夹杂物改性"作用，能够显著改善焊接金属的组织和性能。

从工程应用角度，CMT堆焊IN625合金在以下领域具有重要应用前景：

• 燃气轮机叶片和热端部件的修复与再制造。
• 核能设备中承受高温和腐蚀的部件堆焊。
• 航空航天发动机中高温合金部件的增材制造。

然而，该技术的工程化应用仍面临一些挑战：稀土药芯焊丝的制备工艺复杂、成本较高；稀土元素在堆焊过程中的烧损和氧化问题需要解决；多层堆焊的层间组织演变和性能均匀性需要进一步研究。

从更宏观的视角看，稀土合金化是提高焊接材料性能的一条重要技术路线。随着稀土资源的合理开发和利用，以及稀土冶金技术的不断进步，稀土在焊接材料中的应用将更加广泛和深入。该研究为这一技术方向提供了有价值的实验数据和理论基础。

总体而言，这篇文献系统地揭示了稀土La₂O₃对CMT堆焊IN625合金组织和性能的影响规律，提出了"稀土促进Cr₂O₃致密氧化膜形成"的抗氧化机理，为镍基高温合金堆焊材料的优化设计提供了新的思路。在增材制造和先进焊接技术快速发展的今天，稀土合金化焊接材料的研发具有重要的战略意义和广阔的应用前景。