電弧增材成形非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的組織與性能

姚祥宏，周琦，王克鴻

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

電弧增材制造技術(shù)[1](wire arc additive manufacture，WAAM)利用逐層堆積成形原理，基于熔化極氣體保護焊(MIG)、鎢極惰性氣體保護焊(TIG)以及等離子電弧焊等熔焊焊接方法，以電弧為熱源，通過絲材的添加，在可控自動化設(shè)備的條件下，根據(jù)三維立體模型由線-面-體逐漸成形出復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的先進新型智能制造技術(shù)。該技術(shù)具備高沉積率，取材廣泛且利用率高；整體工序少且制造周期短，成本低[2]；還具有成形大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的能力。賀立華[3]基于機器人MIG焊接技術(shù)研究了不同路徑下組織的形態(tài)以及力學(xué)性能，結(jié)果表明一字路徑試樣中δ鐵素體在奧氏體基體中呈條狀分布；十字路徑試樣中δ鐵素體為骨架狀，與弓字形路徑相比，其鐵素體橫向間距更大，且生長方向發(fā)生變化；顯微硬度隨著沉積高度的增加呈下降趨勢，垂直焊縫方向的抗拉強度高于平行焊縫的抗拉強度。柏久陽[4]等人采用TIG電弧增材成形鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)，分析了其宏觀形貌和微觀組織特征，結(jié)果表明平行條紋是重疊堆積成形薄壁試結(jié)構(gòu)的典型特征，其組織特征主要是晶界錯綜復(fù)雜、晶界尺寸寬大；重疊堆積、重復(fù)受熱情況和散熱條件共同作用，形成了薄壁構(gòu)件中下部區(qū)域內(nèi)4種組織呈循環(huán)出現(xiàn)的規(guī)律。

目前國內(nèi)外增材制造技術(shù)主要采用MIG電弧、TIG電弧、等離子弧3種技術(shù)，主要研究工藝參數(shù)對單道熔敷層宏觀幾何尺寸、薄壁結(jié)構(gòu)整體尺寸的影響以及結(jié)構(gòu)件的微觀組織及性能分析，其中MIG電弧增材制造技術(shù)最為常見，但國內(nèi)外較少出現(xiàn)多種絲材通過MIG電弧增材制造技術(shù)成形內(nèi)部較復(fù)雜的非均質(zhì)材料。利用兩種材料不同的力學(xué)性能，可以成形整體性能俱佳的非均質(zhì)材料。本研究以316L不銹鋼和高氮鋼為增添材料，基于雙絲PMIG電弧增材技術(shù)，成形軟硬相結(jié)合的非均質(zhì)材料，同時該材料依舊保持較高抗拉強度下，沖擊韌性有較大幅度提高，同時檢測非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的硬度分布，并分析在復(fù)雜受熱作用下兩種材料微觀組織的形態(tài)。

1 試驗條件

1.1 試驗材料及設(shè)備

試驗材料為直徑1.2mm自制高氮奧氏體不銹鋼焊絲，主要化學(xué)元素含量見表1；直徑為1.2mm的316L不銹鋼焊絲牌號為ER316L，主要化學(xué)元素含量見表2?；鍨?00 mm×400 mm×16 mm的304不銹鋼板材。本課題采用的設(shè)備：九軸協(xié)同雙絲PMIG焊接機器人工作站、紅外測溫儀、OLYMPUS-GX41 顯微鏡、HVS-1000Z 顯微硬度計、SHT4106 電子萬能試驗機、294/147J 夏比沖擊試驗機。

表1 自制高氮鋼焊絲質(zhì)量分數(shù) wt%

表2 316L不銹鋼焊絲質(zhì)量分數(shù) wt%

1.2 試驗方法

基于雙絲PMIG電弧焊接方法，其中316L不銹鋼工藝參數(shù)：送絲速度為5.6 m/min，焊接速度為0.6 m/min。高氮鋼工藝參數(shù)：送絲速度為5.7 m/min，焊接速度為0.6 m/min。同時將其他影響因素固定：保護氣采用97.5%Ar+2.5%O2，保護氣氣流量穩(wěn)定在18 L/min，焊絲干伸長為12 mm。如圖1所示為3種電弧增材成形的結(jié)構(gòu)材料，幾何尺寸大約為130 mm×25 mm×22 mm。圖1(a)為316L不銹鋼與高氮鋼成形的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，電弧增材成形316L不銹鋼結(jié)構(gòu)材料和高氮鋼結(jié)構(gòu)材料與非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料在性能上形成對比，如圖1(b)、圖1(c)，其中紅色代表高氮鋼，藍色代表316L不銹鋼。在這3種結(jié)構(gòu)材料前部按照GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸方法》，制備非標(biāo)拉伸試樣進行檢測，在一側(cè)按照GB-T229-2007《金屬材料-夏比擺錘沖擊試驗方法》，制備標(biāo)準(zhǔn)試樣進行檢測。

圖1 3種電弧增材成形的結(jié)構(gòu)材料

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的微觀組織

如圖2所示，為多種高氮鋼與316L不銹鋼成形界面組織形態(tài)，包含層與層異材界面和相鄰焊道異材界面。如圖2(a)為處于下部區(qū)域，上層高氮鋼以柱狀晶組織沿著熱流方向生長，由于熔池的形態(tài)使得界面呈弧形，其中一小部分柱狀晶交錯生長，有利于力學(xué)性能的提高。下層316L不銹鋼主要以樹枝晶生長，少量鐵素體存在于奧氏體晶界。圖2(b)為相鄰焊道異材界面，其中左側(cè)部分為高氮鋼重熔區(qū)主要以樹枝晶生長，右側(cè)316L不銹鋼同樣以樹枝晶生長。兩側(cè)組織生長方向接近于垂直角度。如圖2(c)中間層為316L不銹鋼重熔區(qū)，主要是交錯生長的樹枝晶。在重熔區(qū)沉積316L不銹鋼時，主要是柱狀晶沿著熱流方向生長，與下層生長方向一致，但后沉積熔融高氮鋼時，重熔區(qū)再次受熱，導(dǎo)致樹枝晶生長方向改變。由于一部分樹枝晶生長方向與受熱方向形成角度較大，生長方向未能改變，只有一小部分樹枝晶沿?zé)崃髦行姆较蛎芗L，以致重熔區(qū)出現(xiàn)交錯生長的樹枝晶。而后沉積的高氮鋼靠近界面處以柱狀晶生長，遠離界面處以交錯生長的樹枝晶為主。

圖2 異材成形界面微觀組織

2.2 硬度分布結(jié)果

硬度測試條件為：加載0.5kg，保荷10s，壓頭正四棱錐體。對3種結(jié)構(gòu)材料的縱向方向進行硬度測試，間隔為0.8mm。

如圖3、圖4所示，高氮鋼平均硬度323HV，316L不銹鋼平均硬度204 HV。接近基板處下部硬度最大，隨著高度增加，整體硬度曲線呈現(xiàn)下降趨勢。上部結(jié)構(gòu)由于熱量累計作用、散熱困難，增材結(jié)構(gòu)內(nèi)部組織晶粒變粗，致使硬度下降，同時從硬度曲線看出，高氮鋼硬度曲線大約間隔2.5 mm處硬度出現(xiàn)一個峰值，2.5 mm恰好對應(yīng)高氮鋼增材結(jié)構(gòu)每一層的高度，316L不銹鋼硬度曲線大約間隔2 mm處硬度出現(xiàn)一個峰值，即說明這些峰值處于界面結(jié)合處。

圖3 高氮鋼結(jié)構(gòu)材料硬度分布

圖4 316L不銹鋼結(jié)構(gòu)材料硬度分布

如圖5所示，非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料平均硬度265 HV。從曲線分布可以明顯看出高氮鋼與316L不銹鋼硬度差異較大。從高氮鋼硬度分布來看，距基板距離越高，硬度呈現(xiàn)下降趨勢，而316L不銹鋼硬度值穩(wěn)定在210 HV，比圖2中316L不銹鋼平均硬度大。這是由于在316L不銹鋼與高氮鋼界面結(jié)合時，高氮鋼熔池中逸出氮元素會與316L不銹鋼進行重熔形成異材界面，而氮元素在成形界面處以固溶形式存在于奧氏體組織中，對界面起到固溶強化作用[5]，所以提高了界面的硬度。反之在界面結(jié)合偏高氮鋼位置，高氮鋼硬度值有所下降，這是由于在沉積高氮鋼或者處于重熔狀態(tài)下氮元素逸出導(dǎo)致界面偏高氮鋼位置處硬度下降。

圖5 非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料硬度分布

2.3 拉伸試驗結(jié)果

如表3所示，高氮鋼結(jié)構(gòu)材料抗拉強度為926 MPa，斷后延伸率不高，由于高氮鋼中氮含量較高，導(dǎo)致加工硬化率[6]很高，以致屈服強度提高得很多，使高氮鋼抗拉強度大大提高，延伸率較低使得塑性較差。316L不銹鋼結(jié)構(gòu)材料抗拉強為529 MPa，斷后延伸度率較高，為28%，說明316L不銹鋼有較好的塑性和延展性。由高氮鋼和316L不銹鋼組成非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的抗拉強度為786 MPa，較316L不銹鋼有較大提高，同時延伸率增大。在拉伸過程中，抗拉強度超過529 MPa時，此時樣件延伸率未到達316L不銹鋼斷裂時的延伸率，抗拉強度超過786 MPa時，高氮鋼部分開始斷裂，瞬間316L不銹鋼也隨之?dāng)嗔眩诖诉^程中延伸率有較大提高。

表3 試樣拉伸性能

2.4 沖擊韌性試驗結(jié)果

沖擊功如表4所示，分別從正面和側(cè)面對3種結(jié)構(gòu)材料進行沖擊，高氮鋼正面?zhèn)让鏇_擊功相差不大，而316L不銹鋼正面?zhèn)让鏇_擊功相差較大，為14J，同時比高氮鋼吸收沖擊功的能力強。非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的沖擊功相比于高氮鋼有很大的提高，且正面?zhèn)让嫖諞_擊功的能力較為接近，這是由于316L不銹鋼作為軟質(zhì)材料，高氮鋼作為硬質(zhì)材料，相互鑲嵌結(jié)合軟硬非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，并且存在多個異材界面，從而大大提高了吸收沖擊功的能力。

表4 沖擊試樣沖擊功

3 結(jié)語

異材界面中高氮鋼以柱狀晶形態(tài)沿?zé)崃鞣较蛏L，316L不銹鋼以樹枝晶生長，在重熔區(qū)組織受到預(yù)熱和兩次受熱作用，兩次改變生長方向；非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料異材界面處，316L不銹鋼硬度值變大，高氮鋼硬度值變??；非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料保持較高抗拉強度，同時延伸率大幅增長，塑性較大提高，吸收沖擊功的能力增強。