2.实验的程序
采用等离子体旋转电极工艺(PREP)制备了尺寸约为175 μm的球形Inconel 718高温合金粉末 。 粉末的化学成分见表1 。 基板由304不锈钢板切割而成 ， 尺寸为150 mm × 60 mm × 6 mm 。 在LSF工艺前 ， 先用砂纸打磨基材表面 ， 然后用丙酮清洗 。
表1 Inconel 718高温合金粉末化学成分(wt.%) 。
在沈阳航空航天大学建立的激光金属沉积系统上 ， 对Inconel 718高温合金样品进行了激光表面强化 ， 该系统由5kW DL-HL-T5000B快速横流CO2激光器、数控工作台、可控气氛室和同轴喷嘴送粉系统组成 。 为了实现对熔池的电磁搅拌效果 ， 采用了电磁搅拌装置 ， 该装置主要由两对永磁体、一个铝制转盘和一个步进电机组成 。 通过调节磁铁之间的间隙可以实现不同的磁场强度 ， 通过改变电机转速可以获得不同的频率 。 基板固定在工作台上 ， 不随转盘和磁铁旋转 。 在LSF工艺之前 ， 在磁铁方向不变的情况下 ， 使用HT201高斯计在两块磁铁（LSFed Inconel 718高温合金样品沉积处）的中心点测量磁场强度 。 由于磁体远高于沉积样品 ， 因此在LSF过程中 ， 磁场强度被认为均匀分布在熔池中 。 实验中使用的磁场频率为50 Hz ， 并保持与所有样品相同 。
本实验中使用的不同样品的电磁场强度分别为0、30、50和80mT 。 LSF的详细示意图如图1所示 。 工艺参数如下：激光功率P=1800W ， 扫描速度v=9mm/s ， 光斑直径D0=3mm ， 相邻焊道重叠η=40% ， Z方向增量ΔZ=0.3mm ， 保护气体流量（Ar）fgas=6L/min 。 沉积了几个试块 ， 用于微观结构观察和机械性能测试（见图2） 。
图1电磁搅拌辅助激光固体成形装置设计方案 。
图2 试样用于室温拉伸试验(a)和疲劳试验(b) 。
为了观察沉积态LSFedInconel 718高温合金样品的微观结构 ， 从试块上切下垂直于激光扫描方向的小截面 ， 用砂纸打磨和抛光 ， 并用10ml CH5（OH）+10ml HCl+5gFeCl3的混合物进行蚀刻 。 所使用的热处理工艺如下：在1100°C下固溶处理1.5 h ， 空气冷却至室温 ， 然后在980°C下时效1 h ， 空气冷却至室温 ， 然后在720°C下时效8 h ， 炉内连续冷却至620°C ， 在620°C下保持8 h ， 最后空气冷却至室温 。 通过MR5000光学显微镜（OM）观察微观结构 。
使用维氏显微压痕法测量残余应力 ， Suresh等人首次报告了该方法 ， Carlsson等人将其应用于金属材料 。 测量维氏显微硬度压痕的实际面积 ， 并与标称面积进行比较 ， 通过拟合公式计算残余应力 。 试样的拉伸试验在INSTRON 3382通用材料试验机上进行 ， 拉伸速度为2 mm/min 。 试样的高周疲劳性能在INSTRON 8802液压疲劳试验机上进行试验 ， 试验条件如下：应力比R=?1、光滑的疲劳试样 ， 载荷频率f=10 Hz ， 最大应力Fmax=750 MPa 。 对于拉伸和疲劳试验 ， 在每种条件下测试三个样品 ， 并计算拉伸强度、伸长率和疲劳寿命周期的平均值 ， 以确保结果的准确性 。 拉伸和疲劳试验后 ， 使用TESCAN VEGA II-LMH扫描电子显微镜（SEM）进行断口分析 。
3.结果与讨论
3．1. LSFed Inconel 718高温合金试样的显微组织
EMS对LSFed Inconel 718高温合金试样组织的影响如图3所示 。 沉积态LSFedInconel 718合金(无EMS制备的样品)的典型显微组织是沿沉积方向外延生长的柱状枝晶 ， 如图3a所示 。 这种粗大的柱状晶粒结构被认为是激光增材制造材料的典型结构 ， 在高温合金、钛合金等多种激光增材制造材料中都存在 。 定向凝固组织也导致了材料的各向异性 。 对于电磁沉积的样品 ， 其枝晶结构与沉积时相同 ， 表明电磁沉积并没有改变磁场特性下的枝晶结构 。 测量了枝晶的初臂间距 ， 结果表明 ， 随着磁场强度的增加 ， 初臂间距增大 。 证明了枝晶臂间距与温度梯度成正比 ， 与过冷度成反比 。 随着EMS对熔池的搅拌 ， 强烈的对流可以将富集的合金元素从枝晶间区移开 ， 降低本构过冷度 ， 同时还可以增大液固界面前的温度梯度 。 这些都有利于增大主臂空间 。 上述结果表明 ， 随着电磁场强度的增加 ， 电磁场对液态金属搅拌作用的增强 ， 对液态金属组织的改变有有益的效果 。
图3 不同电磁场强度下制备的LSFed Inconel 718高温合金试样的显微组织 。 (a) 0 mT; (b) 30 mT; (c) 50 mT; (d) 80 mT 。
EMS应用于LSF工艺时 ， Laves相的形貌发生了明显的变化 ， 如图3所示 ， 对应的高倍扫描电镜图像如图4所示 。 可以看出 ， 加入EMS后 ， Laves相的形貌由未采用电磁搅拌时的连续长条状转变为电磁场强度为50 mT时的不连续的蠕虫状形貌 ， 如图3c所示 。 在磁场强度为80 mT时变为粒状 ， 如图3d所示 。 在枝晶间形成Laves相的原因是Nb、Al、Ti等合金元素的偏析 。 EMS通过对液态金属的剧烈搅拌 ， 使合金元素重新分布到远离固液界面的液态金属中 ， 从而减轻合金的偏析 。 Laves相的持续生长受到抑制 ， 其形态也发生相应的变化 。 用Image Pro Plus软件对Laves相的体积分数进行了测定 ， 结果表明 ， EMS处理后Laves相的体积分数明显降低 。
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