銅/鋼MIG 復(fù)合增材制造組織及性能研究

羅濱，趙健，2，，郜慶偉，柳洪文，楊殿偉

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，上海201620;2.上海市激光先進制造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海201620;3.三一重機有限公司，江蘇 昆山215300)

0 前言

增材制造技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的加工制造工藝，是一種基于計算機的數(shù)字化技術(shù)，通過在母材上添加材料，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，但是也存在強度較低，比重大，構(gòu)件減重困難等明顯缺點［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)件會同時發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，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、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/鋼連接過程中，容易在連接處形成應(yīng)力集中，進而惡化構(gòu)件的服役性能，尤其是銅向鋼中的滲透裂紋，會惡化接頭的力學(xué)性能［6-7］。

基于上述問題，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與理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

試驗采用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，試驗中每制備一層熔覆層，噴嘴上移一個熔覆層高度的距離再進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φ1.2 mm。焊前去除母材表面氧化物、油污及水分，待干后進行增材制造，焊接過程中采用氬氣進行保護。

表1 硅青銅焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 304 不銹鋼焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

基于前期工藝研究，試驗過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°，焊絲伸出長度20 mm，電弧長度5 mm，保護氣體流量15 L/min，嚴(yán)格控制層間溫度在70 ℃。試驗選擇了3 種不同的增材制造路徑研究增材路徑對成形、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熔覆層橫截面進行腐蝕，進行顯微組織觀察。并用HX-1000 號顯微硬度計對不同路徑下的構(gòu)件進行硬度測試分析，施加載荷為0.98 N，載荷時間為15 s。

表3 增材制造工藝參數(shù)

圖1 不同增材制造路徑示意圖

2 試驗結(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，但在制造過程中，在銅上熔覆一層鋼，都會有數(shù)量較多的橫向裂紋出現(xiàn)，而在鋼上熔覆銅卻沒有出現(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，并且在增材制造過程中伴隨著一定量的飛濺。

圖3 1 號路徑熔覆層典型微觀組織

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，熔化時鋼更容易上浮進入銅中，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。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，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 號路徑熔覆層的顯微組織。從圖4a ～4c可以看出，2 號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，鋼會滲入銅中形成固溶體，該區(qū)域顯微組織特點表現(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，原因是該方向上熱流密度最大，晶粒生長與熱流密度相反，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)溫度降到凝固點以下時，周圍柱狀晶發(fā)生斷裂進入焊縫中心形核長大，最終形成等軸晶，其特點為晶粒在各個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，這可能是因為銅焊絲氧化吸潮與銅合金高溫液態(tài)流動性差所致。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4 2 號路徑熔覆層典型微觀組織

圖5 為3 號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，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。

圖5 3 號路徑熔覆層典型微觀組織

從1 號、2 號和3 號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大，頂部會形成等軸晶組織。

銅及銅合金與不銹鋼進行復(fù)合時容易出現(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，需要對工件表面，絲材表面進行清理，增材過程中可采用雙向吹保護氣進行保護，適當(dāng)?shù)亟档腿鄹菜俣葹闅怏w逸出提供充足的時間來抑制氣孔的生成。

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第三層。當(dāng)進入到鋼熔覆層，硬度明顯增大，在150 ～200 HV 之間，其中有一點低至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，因為母材和第二層的鋼都會滲入銅中，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6 不同增材制造路徑下熔覆層的顯微硬度分布規(guī)律

圖6 b 為2 號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，這是因為許多Si元素從銅滲入鋼中，形成Fe-Si 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 元素滲透進入鋼中可能與Fe 元素形成金屬間化合物，硬度會顯著提高，最高硬度達(dá)到526 HV。達(dá)到銅熔覆層時，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Fe-Si 金屬間化合物，硬度會顯著提高。

3 結(jié)論

(1)銅/鋼復(fù)合增材制造過程中，銅熔覆層會有氣孔產(chǎn)生，原因可能是由銅焊絲氧化吸潮與銅合金高溫液態(tài)流動性差所致。鋼層會產(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，并向頂部慢慢長大，當(dāng)鋼層作為最頂層熔覆層時，頂部會形成等軸晶。

(3)銅熔覆層硬度在90 ～175 HV 之間，隨著進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Fe-Si 金屬間化合物，硬度會顯著提高。