不同工藝參數(shù)對(duì)高硬度鐵粉等離子弧增材熔覆的影響

劉艷，張林杰，張建勛

（西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

在資源節(jié)約及高效制造的導(dǎo)向下，增材制造技術(shù)已成為航空航天等高端設(shè)備制造及熔覆領(lǐng)域的重要技術(shù)手段[1—6]。電弧增材制造技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、材料利用率高及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[7—8]。等離子弧增材制造是以等離子弧為熱源的一種制造方法，具有更集中的電弧及熱流，成形件致密度高、冶金結(jié)合性能好、化學(xué)成分均勻、力學(xué)性能好[9—10]。

航空工業(yè)小型化、輕量化和多功能化的發(fā)展目標(biāo)對(duì)航空工業(yè)用鋼承載能力提出了更高的要求。隨著鋼鐵材料的研發(fā)及制造技術(shù)的提高，具有超高比強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)材料得到了廣泛應(yīng)用。超高強(qiáng)度鋼具有超乎一般的高強(qiáng)度、比強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，已大量應(yīng)用于飛機(jī)起落架、連接件、襟翼滑軌、機(jī)翼主梁等關(guān)鍵部件，在航空工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景[11—13]。300M 超高強(qiáng)度鋼作為飛機(jī)起落架制造用材，具有高強(qiáng)度、高硬度、低導(dǎo)熱率等特性，屬于典型的航空難加工材料[14—16]。

文中采用等離子弧增材的方法在300M 鋼表面熔覆馬氏體型高硬度粉末，首先對(duì)單道成形工藝進(jìn)行探索，研究熔覆工藝對(duì)焊道宏觀形貌、成形尺寸、稀釋率的影響，然后對(duì)多道單層工藝進(jìn)行探索，研究疊加率對(duì)熔覆件表面形貌的影響，最終確定馬氏體型高硬度粉末等離子弧熔覆低合金高強(qiáng)度鋼的熔覆工藝。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用的高硬度粉末成分如表1 所示，熔覆基材為淬火加二次中溫回火態(tài)的300M，名義成分如表2 所示。

表1 高硬度不銹鋼粉末成分Tab.1 Compositions of high hardness powder

表2 300M 基材名義成分Tab.2 Nominal compositions of 300M substrate

試驗(yàn)用的熔覆基板大小為 70 mm×45 mm×20 mm，采用 DML-V03BD 型號(hào)的等離子焊機(jī)和YASKAWA 六軸機(jī)器人進(jìn)行熔覆，等離子氣、送粉氣和保護(hù)氣均采用高純氬氣，維弧電流為20 A，基值電流為40 A，熔覆采用直流電流，電流爬升時(shí)間為0.1 s，電流下降時(shí)間為0.5 s，等離子氣、送粉氣和保護(hù)氣流速分別為1.5,3.5,12 L/min。等離子電弧熔覆前用角磨機(jī)對(duì)基板進(jìn)行除氧化皮拋光處理，然后用丙酮清洗，熔覆的過(guò)程保證焊槍噴嘴與基板相距10 mm。單道多層的熔覆層高度為15 mm。

熔覆件的金相試樣經(jīng)過(guò)樹(shù)脂鑲嵌和砂紙打磨、拋光后，選用10 g 無(wú)水硫酸銅+50 mL 濃鹽酸+50 mL蒸餾水的腐蝕劑溶液進(jìn)行腐蝕。微觀組織使用Nikon ECLIPSE MA200 型號(hào)的倒置金相顯微鏡和配有牛津能譜的SU3500 鎢燈絲掃描電子顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)分析。熔覆件拉伸性能使用INSTRON 1195 電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，拉伸速率為0.5 mm/min。拉伸試樣的尺寸如圖1，取樣方向?yàn)槿鄹驳某练e方向，試樣平行段長(zhǎng)度為11 mm。

圖1 拉伸試樣及尺寸規(guī)格Fig.1 Tensile test specimens and dimensions

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 單道單層熔覆工藝優(yōu)化

2.1.1 熔覆工藝對(duì)焊道成形尺寸影響

對(duì)影響等離子弧熔覆的主要工藝參數(shù)熔覆電流（I）、熱源移動(dòng)速度（v）和送粉速率（G）進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（見(jiàn)表3），結(jié)合圖5 研究這3 個(gè)工藝參數(shù)對(duì)焊道稀釋率、寬高比及成形質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，3#試驗(yàn)樣品的稀釋率最小，寬高比最小，為此等離子弧熔覆工藝窗口內(nèi)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。I,v,G對(duì)稀釋率及寬高比的影響規(guī)律如圖2 所示，可以看到I的大小對(duì)稀釋率的影響程度最大，其次G；G對(duì)焊道寬高比影響程度最大，其次是v，電流影響程度最小。

表3 單道單層沉積正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.3 Orthogonal test design for single pass single layer depositions

圖2 熔覆工藝對(duì)焊道尺寸形貌特征的影響Fig.2 Effect of cladding process on weld bead size characteristics

熔覆件稀釋率FD計(jì)算方法如下：

式中：AP為基材熔化面積；AC為熔敷層面積；TP為熔深；Tc為熔高。焊道橫截面尺寸參數(shù)標(biāo)注如圖3 所示。

圖3 焊道橫截面尺寸參數(shù)Fig.3 Cross sectional dimension parameter of weld pass

2.1.2 等離子弧工藝對(duì)焊道形貌影響

圖4 是9 組熔覆工藝下的宏觀形貌照片，其中8#和9#工藝的焊接電流較大，送粉速率較小，掃描速度較大，焊道較細(xì)且連續(xù)性不好，3#,5#,7#表面光滑平整無(wú)波紋，1#表面有部分粘粉，7#電流相對(duì)過(guò)大，焊道表面有氧化跡象。

1#—9#熔覆工藝下的組織形貌見(jiàn)圖5，結(jié)果顯示在熔覆速度為20～30 cm/min、送粉速率為20～30 r/min的工藝窗口內(nèi)，隨著熔覆電流的增大，熔深有所增大，7#—9#金相試樣經(jīng)過(guò)摔落后在臨近熱影響區(qū)的基材處產(chǎn)生了宏觀長(zhǎng)裂紋，可能是線能量密度過(guò)大所導(dǎo)致，其他焊道沒(méi)有出現(xiàn)此現(xiàn)象。其中3#焊道試樣的熱影響區(qū)深度及面積最小，稀釋率（9.4%）及寬高比（2.9）最小，無(wú)生粉現(xiàn)象，熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒尺寸相對(duì)較小。

2.2 多道單層熔覆工藝優(yōu)化

為保證熔覆件最終形狀尺寸精度及熔覆件質(zhì)量，進(jìn)行每一層多道熔覆時(shí)調(diào)整焊道間的搭接率是十分有必要的，可以保證熔覆層的平整度。搭接率的計(jì)算方法如下：

式中：ξ為搭接率；X為焊槍偏移量；W為焊道熔寬。如圖6 所示是等離子弧多道單層熔覆件的宏觀形貌，疊加率分別為30%,40%,50%，可以看到疊加率為40%的熔覆件表面較為平整。

2.3 單道多層拉伸力學(xué)性能結(jié)果分析

在300 M 基板上采用表3 的1#—7#的熔覆工藝進(jìn)行等離子弧單道多層熔覆，沿BD 方向截取制備拉伸試樣，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，結(jié)果顯示，3#熔覆工藝制得的單道多層抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到1204 MPa，斷裂位置發(fā)生在熱影響區(qū)（HAZ）。這與前期探索的單道單層的工藝結(jié)果相一致。

圖4 單道單層焊道宏觀形貌Fig.4 Macro-morphology of weld bead

圖5 單道單層焊道微區(qū)尺寸形貌Fig.5 Micro-zone size morphology of weld bead

圖6 多道單層熔覆件宏觀形貌Fig.6 Macroscopic morphology of multi-pass single layer cladding

圖7 單道多層熔覆件拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Tensile test results of single-pass multilayer cladding

3 結(jié)語(yǔ)

在300M 基材表面進(jìn)行高硬度鐵粉等離子弧熔覆工藝探索。結(jié)果表明，在熔覆電流為140～180 A、移動(dòng)速度為20～30 cm/min 和送粉速率為20～30 r/min的工藝窗口內(nèi)，當(dāng)電流大小為140 A，送粉速率為30 r/min，掃描速率為30 cm/min 時(shí)，單道單層焊道的稀釋率及寬高比最小，熱影響區(qū)晶粒尺寸較小，無(wú)粘粉現(xiàn)象。多道多層熔覆時(shí)，為保證熔覆件最終形狀尺寸精度及熔覆件質(zhì)量，對(duì)疊加率工藝進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)疊加率為40%時(shí)，熔覆層表面平整度較高。此外，在工藝窗口內(nèi)，對(duì)不同參數(shù)單道多層BD方向上的拉伸性能進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，電流大小為140 A，送粉速率為30 r/min，掃描速率為30 cm/min 工藝下的熔覆件抗拉強(qiáng)度最大，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)。