銅/鋼MIG復(fù)合增材制造組織及性能研究

羅濱 趙健 郜慶偉 柳洪文 楊殿偉

摘要：利用MIG復(fù)合增材制造方法在20 mm厚低碳鋼上交替熔覆硅青銅與304不銹鋼制備復(fù)合增材制造熔覆層，對(duì)3種不同增材制造路徑制備的熔覆層成形質(zhì)量進(jìn)行了研究，揭示了不同熔覆層顯微組織特點(diǎn)和硬度分布。研究結(jié)果表明，銅和鋼熔覆層熔合線處均形成了良好的冶金結(jié)合，銅熔覆層會(huì)產(chǎn)生氣孔，鋼熔覆層中會(huì)形成銅向鋼的滲透裂紋，銅層會(huì)向鋼熔覆層塌陷。在銅熔覆層，鋼會(huì)滲入銅中形成固溶體，該區(qū)域顯微組織表現(xiàn)為球形的鐵基固溶體彌散分布在銅基固溶體中;在鋼熔覆層，底部鋼呈細(xì)小的柱狀晶沿垂直熔合線方向生長(zhǎng)，并向頂部慢慢長(zhǎng)大，當(dāng)鋼層作為最頂層熔覆層時(shí)，會(huì)形成等軸晶。銅熔覆層硬度在90～175 HV左右，隨著進(jìn)入銅層的鋼含量增多而增大。304不銹鋼熔覆層硬度在160～526 HV左右，而在鋼熔覆層中臨近銅熔覆層區(qū)域，由于Si元素的滲入，硬度會(huì)顯著提高。

關(guān)鍵詞：電弧增材制造;路徑;顯微組織;顯微硬度

中圖分類號(hào)：TG 455

Abstract：In this paper， the composite cladding layer of silicon bronze and 304 stainless steel were built on the 20 mm thickness low carbon steel surface by MIG arc additive manufacturing technology. The forming quality of cladding layers under three different arc additive manufacturing paths was studied. The microstructure and microhardness distribution of different cladding layers were revealed. The results showed that good metallurgical bonding was formed at the fusion line of copper and steel cladding， the porosity was produced in the copper cladding， the copper to steel penetrating crack was formed in the steel cladding， and the copper cladding collapsed to the steel cladding. In the copper cladding， steel penetrated into copper to form solid solution. The microstructure in this area was characterized by spherical ironbased solid solution dispersed in copperbased solid solution. In the steel cladding， fine columnar crystals grew along the direction vertical to fusion line and slowly grew to the top. When the steel cladding was the top cladding， equiaxed crystals will be formed. The microhardness of copper cladding was about 90-175 HV， which increased with the increase of steel content in copper cladding. The microhardness of 304 steel cladding was about 160-526 HV， while in the steel cladding， near the copper cladding area， the microhardness increased significantly improved due to the infiltration of Si element.

Key words：arc additive manufacturing; paths; microstructure; microhardness

0?前言

增材制造技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的加工制造工藝，是一種基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化技術(shù)，通過(guò)在母材上添加材料，根據(jù)要求逐層熔覆以達(dá)到規(guī)定形狀的制造技術(shù)[1]。電弧增材制造技術(shù)是以電弧作為熱源逐層堆砌制成金屬構(gòu)件，由于其具有零件致密度高、冶金結(jié)合性好、化學(xué)成分均勻、力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、化工等領(lǐng)域中[2-4]。

銅是一種重要的工業(yè)金屬，有良好的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性、低溫和常溫塑性，但是也存在強(qiáng)度較低，比重大，構(gòu)件減重困難等明顯缺點(diǎn)[5]。而鋼作為工業(yè)中應(yīng)用最多的金屬材料，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。銅/鋼的連接形成復(fù)合材料構(gòu)件會(huì)同時(shí)發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用潛力。由于銅和鋼有著不同的物化性質(zhì)，特別在熔點(diǎn)、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、線膨脹系數(shù)等熱物理參數(shù)存在較大差異，因此，銅/鋼連接過(guò)程中，容易在連接處形成應(yīng)力集中，進(jìn)而惡化構(gòu)件的服役性能，尤其是銅向鋼中的滲透裂紋，會(huì)惡化接頭的力學(xué)性能[6-7]。

基于上述問(wèn)題，利用電弧作為熱源，在20 mm厚低碳鋼上，采用不同的增材制造路徑，交替熔覆304不銹鋼與硅青銅，實(shí)現(xiàn)兩種材料的復(fù)合增材制造，揭示復(fù)合增材制造下的熔覆層成形質(zhì)量、組織特點(diǎn)和顯微硬度分布規(guī)律，為銅/鋼復(fù)合增材制造熔覆層的制備提供試驗(yàn)與理論依據(jù)。

1?試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用MIG復(fù)合增材制造方法在20 mm厚的低碳鋼上沿豎直方向逐層熔覆硅青銅和304不銹鋼焊絲形成復(fù)合熔覆層，試驗(yàn)中每制備一層熔覆層，噴嘴上移一個(gè)熔覆層高度的距離再進(jìn)行下一道熔覆層的制備。硅青銅焊絲和304不銹鋼焊絲的化學(xué)成分，如表1～2所示，焊絲規(guī)格均為1.2 mm。焊前去除母材表面氧化物、油污及水分，待干后進(jìn)行增材制造，焊接過(guò)程中采用氬氣進(jìn)行保護(hù)。

基于前期工藝研究，試驗(yàn)過(guò)程中堆積銅與鋼所用的工藝參數(shù)均為：送絲速度7 m/min，送絲角度90°，焊絲伸出長(zhǎng)度20 mm，電弧長(zhǎng)度5 mm，保護(hù)氣體流量15 L/min，嚴(yán)格控制層間溫度在70 ℃。試驗(yàn)選擇了3種不同的增材制造路徑研究增材路徑對(duì)成形、組織和性能的影響規(guī)律。表3為具體增材制造工藝參數(shù)。圖1為不同增材制造路徑示意圖。其中圖1a為在低碳鋼上沿著增材制造方向先熔覆一層銅，然后在銅層上熔覆一層鋼，最后再在鋼層上熔覆一層銅，得到1號(hào)路徑熔覆層;圖1b為在低碳鋼上沿著增材制造方向熔覆一層鋼，然后在鋼層上熔覆一層銅，最后再熔覆一層鋼，得到2號(hào)路徑熔覆層;圖1c為在低碳鋼上沿著增材制造方向先熔覆一層銅，然后在銅層上熔覆一層鋼，得到3號(hào)路徑熔覆層。使用電火花切割制備試樣，采用4 g FeCl3，20 mL HCl和5 mL H2O配成的三氯化鐵鹽酸水溶液對(duì)熔覆層橫截面進(jìn)行腐蝕，進(jìn)行顯微組織觀察。并用 HX1000號(hào)顯微硬度計(jì)對(duì)不同路徑下的構(gòu)件進(jìn)行硬度測(cè)試分析，施加載荷為0.98 N，載荷時(shí)間為15 s。

2?試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1?不同增材制造路徑下的熔覆層成形質(zhì)量分析

圖2為3種不同增材制造路徑下的熔覆層形貌。3種不同增材制造路徑下熔覆層形貌大致相同，但在制造過(guò)程中，在銅上熔覆一層鋼，都會(huì)有數(shù)量較多的橫向裂紋出現(xiàn)，而在鋼上熔覆銅卻沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，如圖2a所示。從圖2還可以看出，銅層向鋼層中發(fā)生了坍塌，并且在增材制造過(guò)程中伴隨著一定量的飛濺。

2.2?不同增材制造路徑下的熔覆層顯微組織分析

圖3為1號(hào)路徑熔覆層的顯微組織。從圖3a可以看出，母材組織主要為珠光體組織，是一種鐵素體與滲碳體片層相間的組織，即片狀珠光體，珠光體具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。從圖3a～3c可以看出，不同熔覆層熔合線處，均形成了良好的冶金結(jié)合，并未看到明顯的組織缺陷。圖3d和圖3f分別是第一層銅熔覆層和第三層銅熔覆層的顯微組織，由于層間重熔，鋼會(huì)滲入銅中相互形成固溶體，該區(qū)域顯微組織表現(xiàn)為球形的鐵基固溶體彌散分布在銅基固溶體中。但是圖3d中的鋼滲入銅的量明顯少于圖3f，其原因是銅的密度比鋼大，銅層在鋼層上面時(shí)，熔化時(shí)鋼更容易上浮進(jìn)入銅中，所以圖3f中滲入了更多的鋼。圖3g為靠近第一層銅熔覆層的組織，鋼組織呈細(xì)小的柱狀晶沿垂直熔合線方向生長(zhǎng)。圖3h為遠(yuǎn)離第一層銅熔覆層的組織，鋼組織呈粗大的柱狀晶沿垂直熔合線方向生長(zhǎng)，原因是晶粒的尺寸受冷卻溫度影響，銅的導(dǎo)熱性能好，比鋼冷卻快，所以靠近銅的組織比遠(yuǎn)離銅的組織冷卻速度更快，柱狀晶更加細(xì)小。

圖4為2號(hào)路徑熔覆層的顯微組織。從圖4a～4c可以看出，2號(hào)熔覆層中各層熔合線處成形均良好，并未看到明顯的組織缺陷。圖4d為第二層銅熔覆層的顯微組織，由于層間重熔，鋼會(huì)滲入銅中形成固溶體，該區(qū)域顯微組織特點(diǎn)表現(xiàn)為球形的鐵基固溶體彌散分布在呈等軸晶形態(tài)的銅基固溶體中。從圖4e可以看出，鋼熔覆層為柱狀晶沿垂直熔合線方向生長(zhǎng)，原因是該方向上熱流密度最大，晶粒生長(zhǎng)與熱流密度相反，體現(xiàn)出了一定的方向性。圖4f為第三層鋼熔覆層頂端的顯微組織照片，為典型的等軸晶組織。其形成機(jī)理為在晶體凝固的后期，中心區(qū)域溫度均勻，非平衡快速凝固的相關(guān)理論，當(dāng)溫度降到凝固點(diǎn)以下時(shí)，周圍柱狀晶發(fā)生斷裂進(jìn)入焊縫中心形核長(zhǎng)大，最終形成等軸晶，其特點(diǎn)為晶粒在各個(gè)方向上的尺寸相差不大。圖4g為第二層銅向第一層鋼坍塌顯微組織照片，該缺陷惡化了熔覆層的成形質(zhì)量。從圖4h可以發(fā)現(xiàn)，第二層銅熔覆層出現(xiàn)氣孔缺陷，這可能是因?yàn)殂~焊絲氧化吸潮與銅合金高溫液態(tài)流動(dòng)性差所致。圖4i為第二層銅滲入鋼形成滲透裂紋。由銅滲透進(jìn)入鋼中，沿著晶界鋪展，形成滲透裂紋，這也是鋼熔覆層出現(xiàn)大量細(xì)小的橫向裂紋的原因。圖5為3號(hào)路徑熔覆層的顯微組織。從圖5a可以看出，鋼在銅熔覆層里彌散分布，會(huì)形成樹枝狀、球形等形態(tài)，且出現(xiàn)氣孔缺陷。從圖5b可以看出，鋼組織呈粗大的柱狀晶沿垂直于熔合線方向生長(zhǎng)，而近銅側(cè)晶粒較為細(xì)小，其原因是晶粒的尺寸大小受冷卻速度影響，銅的導(dǎo)熱性能好，比鋼冷卻速度快，所以靠近銅的組織比遠(yuǎn)離銅的組織更為細(xì)小。圖5c為鋼熔覆層頂端的顯微組織照片，這與2號(hào)路徑熔覆層頂部現(xiàn)象相同。圖5d為銅沿晶界滲入鋼中形成滲透裂紋，其原因與圖4i相同。

從1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)路徑熔覆層的典型微觀組織可以看出，不同熔覆層與基體以及不同熔覆層之間均形成了良好的冶金結(jié)合。鋼會(huì)滲入銅熔覆層中形成彌散分布的球形固溶體，鋼熔覆層中的微觀組織自底部沿垂直熔合線方向逐漸長(zhǎng)大，頂部會(huì)形成等軸晶組織。

銅及銅合金與不銹鋼進(jìn)行復(fù)合時(shí)容易出現(xiàn)銅向鋼的滲透裂紋。為防止?jié)B透裂紋產(chǎn)生，下一步需要選擇合適的填充材料，嚴(yán)格控制易產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶的元素（S，P，Cu2O，F(xiàn)eS，F(xiàn)eP），并合理選擇焊接工藝，盡可能選用較小的熱輸入量，必要地可向熔池中加入Al，Si，Mn，Ti，V，Mo，Ni等元素進(jìn)行合金化處理。

為了減少氣孔的產(chǎn)生，需要做好加工前的準(zhǔn)備工作，需要對(duì)工件表面，絲材表面進(jìn)行清理，增材過(guò)程中可采用雙向吹保護(hù)氣進(jìn)行保護(hù)，適當(dāng)?shù)亟档腿鄹菜俣葹闅怏w逸出提供充足的時(shí)間來(lái)抑制氣孔的生成。

2.3?不同增材制造路徑下熔覆層的顯微硬度分布規(guī)律

圖6為不同增材制造路徑下熔覆層的顯微硬度分布規(guī)律，其中圖6a為1號(hào)路徑熔覆層的顯微硬度分布曲線。橫軸起始部分為第三層銅熔覆層上部，硬度較低，在90～150 HV之間，這是由于只有少量的鋼從第二層鋼熔覆層滲透進(jìn)第三層。當(dāng)進(jìn)入到鋼熔覆層，硬度明顯增大，在150～200 HV之間，其中有一點(diǎn)低至83.5 HV，這是由銅滲入鋼中所致。在第一層銅熔覆層，硬度又回到120～150 HV之間，因?yàn)槟覆暮偷诙拥匿摱紩?huì)滲入銅中，比滲入第三層銅熔覆層的鋼更多，所以第一層銅熔覆層比第三層銅熔覆層平均硬度略高，最后為母材低碳鋼區(qū)域，硬度達(dá)到200 HV左右。

圖6b為2號(hào)路徑熔覆層的顯微硬度分布曲線。橫軸起始部分為第三層鋼熔覆層，硬度在150～250 HV之間。在鋼熔覆層臨近銅熔覆層交界處，硬度明顯升高，原因可能是銅熔覆層滲進(jìn)入鋼的Si元素與Fe發(fā)生金相反應(yīng)，形成金屬間化合物，導(dǎo)致硬度升高。而第二層銅熔覆層硬度較低，在110～140 HV之間，有部分鋼從第一層鋼熔覆層和第三層鋼熔覆層滲入銅中，形成固溶體。第一層鋼熔覆層硬度較大，這是因?yàn)樵S多Si元素從銅滲入鋼中，形成FeSi金屬間化合物，導(dǎo)致硬度增高，低碳鋼母材區(qū)硬度在180 HV左右。

圖6c為3號(hào)路徑熔覆層的顯微硬度分布曲線，橫軸起始位置為第二層鋼熔覆層，大部分硬度為150～205 HV，近銅/鋼交界處，硅青銅中的Si元素滲透進(jìn)入鋼中可能與Fe元素形成金屬間化合物，硬度會(huì)顯著提高，最高硬度達(dá)到526 HV。達(dá)到銅熔覆層時(shí)，硬度又迅速下降，在150～175 HV之間。最后到達(dá)低碳鋼母材區(qū)，硬度在220 HV左右。

從圖6不同路徑熔覆層的顯微硬度可以看出，銅熔覆層硬度低于304不銹鋼熔覆層，并且在臨近銅熔覆層的鋼熔覆層區(qū)域，由于形成FeSi金屬間化合物，硬度會(huì)顯著提高。

3?結(jié)論

（1）銅/鋼復(fù)合增材制造過(guò)程中，銅熔覆層會(huì)有氣孔產(chǎn)生，原因可能是由銅焊絲氧化吸潮與銅合金高溫液態(tài)流動(dòng)性差所致。鋼層會(huì)產(chǎn)生裂紋，原因是銅向鋼層滲透產(chǎn)生的滲透裂紋，而銅層沒(méi)有裂紋。

（2）熔覆層與基體、不同熔覆層之間均形成了良好的冶金結(jié)合。在銅熔覆層，鋼會(huì)滲入銅中形成固溶體，該區(qū)域顯微組織表現(xiàn)為球形的鐵基固溶體彌散分布在銅基固溶體中。而鋼熔覆層，底部鋼組織呈細(xì)小的柱狀晶沿垂直于熔合線方向生長(zhǎng)，并向頂部慢慢長(zhǎng)大，當(dāng)鋼層作為最頂層熔覆層時(shí)，頂部會(huì)形成等軸晶。

（3）銅熔覆層硬度在90～175 HV之間，隨著進(jìn)入銅層的鋼含量增多而提高。304鋼熔覆層硬度在160～526 HV之間，而在鋼熔覆層中臨近銅熔覆層區(qū)域，由于Si元素的滲入，形成FeSi金屬間化合物，硬度會(huì)顯著提高。

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