熱輸入對高強(qiáng)鋼GMAW增材組織及力學(xué)性能影響

吳成成，王克鴻，許華銀

(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

增材制造[1](additive manufacturing，AM)是一種“自下而上”材料累加的制造方法，與傳統(tǒng)切削加工相比，不依賴機(jī)加工所需要的刀具、夾具及多道加工工序，縮短加工周期，提高生產(chǎn)效率。電弧增材制造技術(shù)[2](wire arc additive manufacture，WAAM)作為3D打印的一種方法，具有熔敷效率高、材料利用率高、設(shè)備簡單等優(yōu)勢。電弧增材技術(shù)以電弧為熱源將焊絲熔化，按預(yù)設(shè)的成形路徑在基板上逐層累積成形金屬零件。成形金屬零件由全焊縫金屬組成，冶金結(jié)合性能優(yōu)異、致密度高、力學(xué)性能好[3]。

低合金高強(qiáng)鋼在工業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域取得了十分明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，采用焊接性好的低合金高強(qiáng)鋼可促進(jìn)工程結(jié)構(gòu)向大型化、輕量化和高效能方向發(fā)展[4]。目前，主要在低合金高強(qiáng)鋼焊接熱影響區(qū)及焊接接頭的斷裂特性和抗裂性能等方面進(jìn)行研究，朱宇霆等[5]研究了焊接熱輸入對B780CF低合金高強(qiáng)鋼板熔敷金屬力學(xué)性能及組織的影響，隨著熱輸入增加，熔敷金屬抗拉強(qiáng)度降低，出現(xiàn)的M-A組元為裂紋的形核和擴(kuò)展提供通道。鄧?yán)诘萚6]研究了焊接熱輸入對800MPa級低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭組織性能的影響，結(jié)果表明隨著熱輸入增加，接頭抗拉強(qiáng)度降低，低溫沖擊韌性則先升高后降低。

對于高強(qiáng)鋼電弧增材相關(guān)研究較少。本文采用GMAW焊接技術(shù)對ER130S-G低合金高強(qiáng)鋼進(jìn)行增材制造，研究熱輸入對增材結(jié)構(gòu)組織及力學(xué)性能的影響，為高強(qiáng)鋼電弧增材的進(jìn)一步研究提供參考。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用ER130S-G低合金高強(qiáng)鋼焊絲，直徑1.2mm，焊絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1?；暹x用304不銹鋼，規(guī)格為300mm×500mm×12mm。試驗(yàn)前對其打磨并用酒精清洗。保護(hù)氣采用混合氣體(80%Ar+20%CO2)，流量控制在25L/min。試驗(yàn)采用庫卡KR16機(jī)器人配合福尼斯TPS5000焊機(jī)，采用JOB控制脈沖焊接模式。

表1 ER130S-G高強(qiáng)鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

試驗(yàn)獲得3組熱輸入下的多道沉積增材樣件，幾何尺寸約為80mm×60mm×10mm。沿著焊道方向切取金相試樣，試樣經(jīng)打磨拋光后，常溫下用3%HNO3酒精溶液擦拭10～15s后，利用OLYMPUS GX41倒置光學(xué)顯微鏡對其顯微組織觀察。沿著焊道方向切取拉伸試樣，拉伸試驗(yàn)采用非比例試樣的小尺寸拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，室溫下采用DNS100萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，加載速率2mm/min，通過FEI Quanta 250F場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡觀察拉伸試樣的斷口微觀形貌。

2 結(jié)果及分析

2.1 熱輸入對增材組織的影響

根據(jù)散熱環(huán)境不同，可將增材制造顯微組織分為：未受熱組織，通常為頂層或者末道焊縫組織；受熱組織，包括受熱粗晶區(qū)組織以及受熱細(xì)晶區(qū)組織。如圖1所示，其中圖1(a)為未受熱組織，由于沒有后續(xù)焊道的后熱作用，組織主要為粗大的柱狀晶，同時(shí)在柱狀晶的晶界上分布有片狀先共析鐵素體。圖1(b)為受熱區(qū)粗晶與細(xì)晶交界處，粗晶區(qū)在增材過程中熱輸入較大，經(jīng)歷熱循環(huán)溫度高，使得區(qū)域內(nèi)晶粒尺寸較為粗大。

圖1 增材結(jié)構(gòu)顯微組織

圖2為3種熱輸入下增材結(jié)構(gòu)受熱區(qū)的顯微組織。由圖2可以看出，不同熱輸入下高強(qiáng)鋼組織類型基本相同，主要由大量晶內(nèi)分布的針狀鐵素體(acicular ferrite, AF)和少量的粒狀貝氏體(granular bainite, GB)組成。不同熱輸入條件下各組織占比及大小均不相同，隨著熱輸入的升高，焊縫中的針狀鐵素體逐漸增加，粒狀貝氏體逐漸減少。這是因?yàn)殡S著冷卻速度降低，增材冷卻過程中的焊縫過冷度減小，奧氏體轉(zhuǎn)變在更高的溫度區(qū)間開始，而針狀鐵素體轉(zhuǎn)變開始溫度比粒狀貝氏體高，有利于針狀鐵素體的形成[7]。

隨著熱輸入增大，粗晶區(qū)原奧氏體晶粒逐步增大。由于熱輸入增大，增材加熱過程粗晶區(qū)所經(jīng)歷的峰值溫度及高溫停留時(shí)間增加，同時(shí)冷卻速度降低，使得粗晶區(qū)原奧氏體晶粒嚴(yán)重長大。在焊接熱循環(huán)作用下，靠近熔合區(qū)部位的粗晶區(qū)所經(jīng)受的熱循環(huán)峰值溫度較高，導(dǎo)致部分難溶C、N化物溶入奧氏體中，進(jìn)而穩(wěn)定奧氏體并抑制其分解過程，使得原奧氏體晶粒嚴(yán)重長大，在隨后冷卻過程中，形成粗大的板條狀馬氏體。板條狀馬氏體組織脆性大、韌塑性低，綜合力學(xué)性能較差，裂紋往往在此處萌生。當(dāng)熱輸入增加到15.70kJ/cm時(shí)，顯微組織出現(xiàn)部分板條馬氏體。

圖2 不同熱輸入下增材結(jié)構(gòu)受熱區(qū)的顯微組織

2.2 熱輸入對拉伸性能的影響

表2給出了不同熱輸入下增材結(jié)構(gòu)體的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率。可以看出，當(dāng)熱輸入從10.66kJ/cm逐漸增加到15.70kJ/cm時(shí)，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在熱輸入為13.34kJ/cm時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均達(dá)到最大值。分析拉伸性能的差異原因主要為微觀組織中各相組成及比例發(fā)生變化。當(dāng)熱輸入為13.34kJ/cm時(shí)，相較于其他2種熱輸入，針狀鐵素體含量較多，由于針狀組織既有晶界形核，又有晶內(nèi)形核，因此可實(shí)現(xiàn)其均勻分布[8]。圖3為3種熱輸入條件下增材結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出3種熱輸入條件下拉伸試樣彈性變形階段基本重合，沒有出現(xiàn)明顯的屈服平臺，在曲線后半段表現(xiàn)出明顯的塑性變形。

表2 增材試樣拉伸性能

圖3 不同熱輸入下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 拉伸斷口形貌

增材結(jié)構(gòu)拉伸斷口形貌如圖4所示?？梢钥闯?，有大量韌窩存在，具有明顯的微孔聚集型(MVC)韌性斷裂特征。當(dāng)熱輸入為10.66kJ/cm時(shí)，拉伸斷口中可以看到大量含有夾雜物的等軸狀韌窩；當(dāng)熱輸入為13.34kJ/cm時(shí)，韌窩分布較細(xì)小均勻，韌窩內(nèi)夾雜物分布較少；當(dāng)熱輸入為15.70kJ/cm時(shí)，含有大小不均勻韌窩，部分夾雜物顆粒尺寸較大。通過EDS能譜分析，夾雜物主要元素為Fe、O、Cr、Ni、Mn、Si等元素。夾雜物通常為脆性相，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，隨后擴(kuò)展到基體中，最終發(fā)生斷裂。

圖4 不同熱輸入下增材結(jié)構(gòu)的拉伸斷口形貌

3 結(jié)語

通過GMAW焊接技術(shù)增材制造ER130S-G低合金高強(qiáng)鋼，研究了熱輸入對增材結(jié)構(gòu)組織和力學(xué)性能的影響，得到如下結(jié)論：

1) 對于ER130S-G低合金高強(qiáng)鋼，增材結(jié)構(gòu)組織可分為受熱區(qū)和未受熱區(qū)，受熱區(qū)組織主要由針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成，未受熱區(qū)主要為粗大的柱狀晶。

2) 室溫下抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均呈先增大后減小的趨勢，在熱輸入為13.34kJ/cm時(shí)，針狀鐵素體含量相對較多，力學(xué)性能最佳，拉伸斷口均為韌性斷口。