5CrNiMo鋼表面電弧增材制造梯度結(jié)構(gòu)用藥芯絲材的研制及應(yīng)用

毛展召，余圣甫

(華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

0 引 言

熱鍛模是一種應(yīng)用廣泛的模具，其制造材料主要為5CrNiMo、5CrMnMo及H13等鋼種，其中5CrNiMo鋼是目前應(yīng)用最廣泛的熱鍛模具鋼。熱鍛模一般通過鍛造[1-2]或直接精密鑄造[3-5]工藝制造而成，但這兩種方法往往只能生產(chǎn)單一整體材料的熱鍛模具。熱鍛模具主要用于金屬的鍛造成形，使用時模具工作面與鍛件直接接觸，造成工作面的溫度高、工作應(yīng)力大，常出現(xiàn)變形、剝離等損傷。在常規(guī)鋼模具的表面堆積一定厚度的耐高溫、抗變形材料，形成的梯度結(jié)構(gòu)可大大延長模具的使用壽命[6]。周杰等[7]采用手工電弧焊方法在5CrNiMo鋼鍛模上堆積鈷基合金，形成梯度結(jié)構(gòu)，使模具壽命提高了1～2倍。然而手工電弧焊堆積硬面層時的勞動強度大、效率低、成形精度差，不適于制造大型梯度模具。

電弧增材制造技術(shù)[8-12]使用電弧作為熱源熔化絲材，基于離散、堆積原理，按照預(yù)設(shè)的成形路徑采取逐層堆積的方法制造金屬構(gòu)件，其成形效率高、成本低、成形精度高，可成形任意復(fù)雜空間曲面的構(gòu)件，是制造梯度模具的新方法。在電弧增材制造技術(shù)中，構(gòu)件由熔化的絲材堆積而成，絲材對構(gòu)件的性能起關(guān)鍵性作用。目前，電弧增材制造用絲材主要為用于焊接的實心絲材與藥芯絲材，其中實心焊絲設(shè)計時考慮了母材的影響，是不適用于電弧增材制造的。與實心絲材相比，藥芯絲材成分調(diào)控方便，制造工藝簡單，堆積效率高，但目前還沒有用于制造梯度結(jié)構(gòu)5CrNiMo鋼模具的專用藥芯絲材。

為了提高模具使用壽命，作者設(shè)計出用于電弧增材制造梯度結(jié)構(gòu)5CrNiMo鋼模具梯度層的3種藥芯絲材，并采用電弧增材制造方法在5CrNiMo鋼基體上依次堆積打底層、過渡層及硬面層，研究了各層的顯微組織、力學(xué)性能及界面結(jié)合強度，并采用電弧增材制造技術(shù)制備了發(fā)動機高溫合金盤用梯度結(jié)構(gòu)5CrNiMo鋼模具。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用基體材料為退火態(tài)5CrNiMo模具鋼，絲材為3種自行設(shè)計的藥芯絲材，分別用于制備打底層(1#絲材)、過渡層(2#絲材)和硬面層(3#絲材)，直徑均為1.2 mm?；w材料和絲材的具體化學(xué)成分如表1所示。

表1 5CrNiMo鋼及3種藥芯絲材熔敷金屬的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of 5CrNiMo steel and deposited metal of three flux cored wires (mass) %

打底層直接堆積在5CrNiMo鋼上，成分應(yīng)與5CrNiMo鋼的近似。5CrNiMo鋼的碳含量為0.53%，淬硬傾向大，堆積過程中易產(chǎn)生裂紋，打底層應(yīng)具有更好的抗裂性能，因此降低了其碳含量。為了保證模具的抗氧化性、抗熱疲勞性及強度，適當(dāng)增加了鉬、鉻元素含量，并采用硅、錳聯(lián)合脫氧。由于錳也是脫硫的主要元素，故適當(dāng)增加了錳含量。

過渡層堆積在打底層上，成分設(shè)計以打底層成分為基礎(chǔ)。過渡層應(yīng)具有更好的高溫性能，因此其藥芯絲材中加入了適量的釩、鎢、鈮元素。在堆積過程中，釩、鈮會形成碳化物質(zhì)點，阻礙位錯的運動，從而提高高溫性能。

硬面層堆積在過渡層上，成分設(shè)計以過渡層成分為基礎(chǔ)。硬面層工作時與高溫金屬直接接觸，應(yīng)具有更好的高溫性能和抗變形能力，因此在藥芯絲材中適當(dāng)提高了釩、鎢、鈮的含量，以提高硬面層的高溫強度和耐磨損性能；同時適當(dāng)提高了碳、鉬、鉻的含量，以提高硬面層的抗變形能力。

在5CrNiMo鋼上，用由KUKA機器人及福尼斯TPS5000 CMT型焊機組成的電弧增材制造系統(tǒng)，依次堆積打底層、過渡層及硬面層，堆積工藝參數(shù)見表2。為防止產(chǎn)生裂紋，將5CrNiMo鋼加熱到450 ℃保溫3 h預(yù)熱后再進行堆積，堆積過程中層間溫度不低于350 ℃。

表2 電弧增材制造堆積工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of arc additive manufacturing

1.2 試驗方法

分別在打底層、過渡層和硬面層上截取試樣，經(jīng)過磨拋后使用體積分數(shù)4%的硝酸酒精溶液進行浸蝕，通過AE2000MET型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。使用430SVD型數(shù)顯維氏硬度計測定顯微硬度，載荷為9.8 N，保載時間為15 s，從鋼基體向硬面層，每隔0.5 mm取點測試。采用Tecnai G2 F30型場發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)觀察硬面層試樣形貌，并利用附帶的能譜儀(EDS)進行微區(qū)成分分析。按照GB/T 2652-2008，分別在打底層、過渡層和硬面層中截取室溫拉伸試樣，在硬面層截取高溫拉伸試樣，試樣形狀與尺寸見圖1，通過Zwick AG-100KN型電子萬能試驗機進行拉伸試驗，高溫拉伸試驗溫度為700 ℃，拉伸速度均為2.3 mm·min-1。按照GB/T 228.1-2010取樣，采用拉伸法進行界面結(jié)合強度測試，試樣尺寸與拉伸試樣(圖1)的相同，試樣中心位置為基體與打底層或相鄰兩層的界面。在基體和硬面層分別截取高溫磨損試樣，使用布魯克UMT-TriboLab型摩擦磨損試驗機進行磨損試驗，試驗溫度為700 ℃，測試3個試樣的磨損率取平均值。

圖3 5CrNiMo鋼及3種藥芯絲材堆積金屬層的顯微組織Fig.3 Microstructures of 5CrNiMo steel (a) and deposited metal layers of three flux cored wires (b-d): (b) bottom layer; (c) transition layer and (d) hardfacing layer

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 藥芯絲材工藝性能

圖1 拉伸試樣的形狀與尺寸Fig.1 Shape and size of tensile specimen

圖2 3種藥芯絲材單道次堆積金屬的宏觀形貌Fig.2 Macromorphology of single-pass deposited metal of three core wires: (a) 1# wire; (b) 2# wire and (c) 3# wire

由圖2可以看出，3種藥芯絲材單道次堆積金屬的兩側(cè)平整，無咬邊等缺陷，成形性良好。測得3種絲材的飛濺率均在1.5%以下，堆積過程中電弧穩(wěn)定。這是由于3種藥芯絲材中均加入了質(zhì)量分數(shù)1%的NaF，在電弧增材制造過程中，大量的Na+可以使電弧保持穩(wěn)定。

2.2 顯微組織

由圖3可知：5CrNiMo鋼的顯微組織為先共析鐵素體和珠光體，晶粒尺寸較大；打底層顯微組織主要由細小的鐵素體和貝氏體組成；過渡層的晶粒最為細小，組織主要由鐵素體和珠光體組成，同時存在少量板條狀馬氏體及彌散分布的碳化物；硬面層組織主要由板條狀馬氏體及少量殘余奧氏體組成，同時存在大量細小的碳化物，結(jié)合圖4分析可知該碳化物主要由鉬、釩、鎢、鈮、鉻等元素組成。

圖4 硬面層碳化物的TEM形貌及EDS譜Fig.4 TEM morphology (a) and EDS spectrum of carbide of hardfacing layer: (b) point A

2.3 拉伸性能

由表3可知：室溫條件下，打底層、過渡層、硬面層的抗拉強度Rm和屈服強度Rp0.2依次增大，而斷后伸長率A和斷面收縮率Z則依次減??；與室溫下的相比，硬面層在700 ℃的抗拉強度和屈服強度均有所降低，但斷后伸長率與斷面收縮率略有增加。結(jié)合圖3分析可知，細小的晶粒和釩、鈮、鎢等元素形成的碳化物能夠阻礙位錯的運動，起到細晶強化和彌散強化的作用，因此梯度層強度均高于5CrNiMo鋼的，同時還具有一定的韌性。此外，由板條狀馬氏體和殘余奧氏體組成的組織使得硬面層表現(xiàn)出較高的強度。

表3 5CrNiMo鋼及3種藥芯絲材堆積金屬層的拉伸性能Table 3 Tensile properties of 5CrNiMo steel and deposited metal layers of three flux cored wires

2.4 高溫磨損性能

由表4可以看出：在700 ℃下，5CrNiMo鋼的平均磨損率為0.17%，而硬面層金屬的平均磨損率為0.11%，相對于5CrNiMo鋼的降低了35.29%，硬面層的耐高溫磨損性能大幅度提高。由圖5可以看出，高溫下硬面層金屬磨損形式為黏著磨損，磨損表面平整，未出現(xiàn)犁溝現(xiàn)象，且磨損量較小，與磨損率測試結(jié)果相一致。硬面層藥芯絲材中加入了釩、鎢、鈮、鉻、鉬等元素，在堆積過程中易與碳發(fā)生反應(yīng)形成碳化物。高硬度的碳化物耐磨性能較好，故硬面層表現(xiàn)出良好的耐高溫磨損性能。

表4 700 ℃下5CrNiMo鋼及硬面層的磨損試驗結(jié)果Table 4 Abrasion test results of 5CrNiMo steel and hardfacing layer at 700 ℃

2.5 結(jié)合界面形貌、硬度與結(jié)合強度

從圖6可以看出，各相鄰堆積金屬層界面結(jié)合良好，界面附近無裂紋、夾渣等缺陷。這是由于相鄰堆積金屬層藥芯的成分相近，且3種藥芯絲材均具有良好的工藝性能。因此可見，3種藥芯絲材成分設(shè)計及堆積工藝參數(shù)的制定是合理的。

由圖7可知，5CrNiMo鋼、打底層、過渡層、硬面層的硬度分別為245，345，455，550 HV，相鄰層間顯微硬度差值均在100 HV左右，形成了合理的梯度結(jié)構(gòu)。這種梯度結(jié)構(gòu)可以降低單一材料模具工作應(yīng)力的不均勻性。

圖5 700 ℃下硬面層的磨損形貌Fig.5 Wear morphology of hardfacing layer at 700 ℃

由表5可知:5CrNiMo鋼上不同相鄰金屬層的界面結(jié)合強度均高于1 000 MPa;界面結(jié)合強度拉伸試樣的斷裂位置均在強度較低的材料端。由于相鄰材料合金體系接近，成分、性能差別較小，所以相鄰金屬層間的結(jié)合性能良好。

表5 5CrNiMo鋼表面堆積金屬層的界面結(jié)合強度和斷裂位置Table 5 Interface bond strength of deposited metal layers on surface of 5CrNiMo steel and fracture positions MPa

圖6 5CrNiMo鋼表面堆積金屬層的界面形貌Fig.6 Interface morphology between deposited metal layers on surface of 5CrNiMo steel: (a) interface between 5CrNiMo steel and bottom layer; (b) interface between bottom layer and transition layer and (c) interface between transition layer and hardfacing layer

圖7 5CrNiMo鋼表面堆積金屬后的截面顯微硬度分布Fig.7 Microhardness distribution on cross section of 5CrNiMo steel with deposited metal on surface

3 實際應(yīng)用效果

按照設(shè)計的藥芯絲材成分及電弧增材制造工藝，在5CrNiMo鋼制熱鍛模具(模具尺寸為φ1 200 mm×400 mm)上制造梯度層，得到發(fā)動機高溫合金盤用梯度結(jié)構(gòu)模具。為了使在合金盤鍛造時模具內(nèi)部應(yīng)力分布均勻，從而延長使用壽命，首先對各層進行尺寸設(shè)計，其三維模型見圖8。打底層最大直徑為1 000 mm，厚度為5 mm；過渡層最大直徑為1 000 mm，厚度為10～20 mm；硬面層最大直徑為1 200 mm，厚度為15～20 mm。

圖8 梯度結(jié)構(gòu)5CrNiMo鋼模具打底層、過渡層及硬面層三維模型Fig.8 Three-dimensional models of base layer (a), transition layer (b) and hardfacing layer (c) of 5CrNiMo steel die with gradient structure

在電弧增材制造前，先導(dǎo)出打底層、過渡層及硬面層的立體光刻(STL)文件，用JAVA語言編寫程序、規(guī)劃路徑及分層切片，形成機器人能識別的語言；在電弧增材制造過程中，按照打底層、過渡層、硬面層的順序進行堆積。電弧增材制造梯度結(jié)構(gòu)模具的三維模型及實物見圖9。

圖9 高溫合金盤用梯度結(jié)構(gòu)模具的三維模型及實物圖Fig.9 Three-dimensional model (a) and physical drawing (b) of die with gradient structure for superalloy disk

電弧增材制造發(fā)動機高溫合金盤用梯度結(jié)構(gòu)模具的生產(chǎn)周期明顯縮短，成本節(jié)約了60%左右。經(jīng)某公司實際使用，發(fā)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)模具的使用壽命不低于90件/次，較傳統(tǒng)單一材料5CrNiMo鋼熱鍛模具的(低于20件/次)提高了4倍以上。

4 結(jié) 論

(1) 設(shè)計了用于5CrNiMo鋼表面電弧增材制造梯度結(jié)構(gòu)(打底層、過渡層、硬面層)的3種藥芯絲材；3種藥芯絲材單道次堆積金屬層的兩側(cè)均非常平整，無咬邊等缺陷，成形性良好；不同堆積金屬層的界面結(jié)合良好、無裂紋缺陷，界面結(jié)合強度均在1 000 MPa以上。

(2) 過渡層和硬面層的組織中均彌散分布著細小的碳化物；5CrNiMo鋼、打底層、過渡層、硬面層的抗拉強度、屈服強度、硬度依次增大，而梯度層的斷后伸長率和斷面收縮率則依次減小。

(3) 在700 ℃下，硬面層的磨損形式為黏著磨損，磨損表面平整，磨損量小，磨損率較5CrNiMo鋼的降低了35.29%；硬面層具有良好的耐高溫磨損性能。

(4) 按照設(shè)計的梯度藥芯絲材成分及工藝，成功實現(xiàn)了發(fā)動機高溫合金盤用梯形結(jié)構(gòu)模具的電弧增材制造，其使用壽命較單一5CrNiMo鋼熱鍛模具的提高了4倍以上。