ZL114A電弧熔絲增材制造、 熱處理工藝及組織與性能研究

鄭濤 施瀚超 喬燕琦 熊華平 陳昊

摘要：采用電弧熔絲增材制造（Wire Arc Additive Manufacture，WAAM）成形技術(shù)對ZL114A合金成形工藝進行了研究，分析了WAAM成形沉積態(tài)和熱處理試樣微觀組織及力學(xué)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：沉積態(tài)的微觀組織由樹枝狀晶的α-Al基體和顆粒狀共晶Si相組成，并且相鄰兩道焊縫的重疊區(qū)域形成粗晶區(qū);相較于傳統(tǒng)金屬型鑄造，沉積態(tài)晶粒更加細小、共晶Si相細小均勻分布;經(jīng)T6熱處理后，樹枝晶消失，共晶Si相發(fā)生球化，呈細小彌散狀態(tài)分布，顯著提升了試樣的力學(xué)性能：電弧熔絲增材ZL114A合金的抗拉強度、屈服強度和延伸率分別達到370.0 MPa、310.4 MPa、8.6%，并且拉伸斷口表現(xiàn)為韌性斷裂。

關(guān)鍵詞：ZL114A合金;電弧熔絲增材制造;熱處理;組織與性能

中圖分類號：TG146.2+1? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：1001-2003（2020）09-0245-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.27

0 前言

電弧熔絲增材是一種新型的增材制造技術(shù)（Wire Arc Additive Manufacture，WAAM）[1-3]，它是以電弧或等離子等成形熱源將金屬絲材熔化，按設(shè)定的成形路徑逐層堆積所需的三維實體零件[4]。WAAM技術(shù)具有設(shè)備和材料成本低、沉積效率和材料利用高等優(yōu)點，可實現(xiàn)大型金屬構(gòu)件及中等復(fù)雜程度構(gòu)件的高效、低成本制造。因此，受到國內(nèi)外航空航天制造業(yè)的廣泛關(guān)注。

ZL114A鑄造鋁合金屬于Al-Si系鋁合金，具有優(yōu)良的鑄造性能、機械性能及焊接性能，特別對于鑄造復(fù)雜形狀的高強度鑄件，已廣泛應(yīng)用于航空航天等軍工領(lǐng)域[5-7]。傳統(tǒng)鑄造工藝生產(chǎn)的各類大型、薄壁復(fù)雜ZL114A鋁合金鑄件容易產(chǎn)生縮孔、疏松、針孔、偏析、組織不均勻、晶粒粗大及尺寸超差等缺陷，造成成品合格率低、質(zhì)量難以控制。WAAM工藝制備的構(gòu)件能夠避免縮孔、組織不均勻及晶粒粗大等問題，現(xiàn)已成為大型、高質(zhì)量復(fù)雜鋁合金構(gòu)件快速成形方法之一[8]。

近年來，國內(nèi)外研究人員將WAAM技術(shù)用于制造ZL114A合金樣件已取得了一定進展。何京文等[9]研究了電弧增材制造ZL114A合金的成形電流、電壓、層間停留時間等工藝參數(shù)對成形鋁合金力學(xué)性能的影響;劉天羽[10]研究了外加磁場作用對電弧增材制造ZL114A合金樣件的微觀組織及力學(xué)性能的影響;李承德[11]研究了電弧增材制造工藝對ZL114A鋁合金組織與性能的影響。文中在上述研究的基礎(chǔ)上，開展WAAM技術(shù)增材制造ZL114A鋁合金的熱處理制度、微觀組織、力學(xué)性能及樣件制備等方面的研究，為進一步開展大尺寸ZL114A鋁合金結(jié)構(gòu)件WAAM技術(shù)的研究奠定基礎(chǔ)。

1 實驗材料及方法

采用自行研制生產(chǎn)的電弧熔絲增材制造專用φ1.2 mm、ZL114A鋁合金絲材進行WAAM成形試驗。ZL114A絲材的化學(xué)成分如表1所示。電弧熔絲增材制造使用的基板為ZL114A鋁合金板，尺寸為298 mm×70 mm×8 mm。

由ABB 1410機器人、Fronius KD 4010推絲式送絲機、Fronius CMT Advanced 4000R冷金屬過渡焊機、JointX數(shù)據(jù)處理軟件等主要構(gòu)件集成了電弧熔絲增材制造設(shè)備，通過控制機器人、CMT焊接電源與送絲機構(gòu)的同步協(xié)調(diào)移動，實現(xiàn)ZL114A鋁合金構(gòu)件的快速成型，如圖1所示。

WAAM工藝參數(shù)如表2所示，以高純氬氣為保護氣體、采用多道多層成形方法制備ZL114A鋁合金試驗樣件，尺寸為180 mm×31 mm×85 mm，WAAM成形件如圖2所示。

將WAAM成形樣件進行T6熱處理[12-13]，熱處理工藝為：固溶溫度540 ℃、固溶時間8 h、水淬溫度60 ℃、時效溫度170 ℃、時效時間8 h、空冷。

采用線切割方式在WAAM成形試樣上截取拉伸及金相試樣，并用等離子發(fā)射光譜儀（ICP-AES）

分析化學(xué)成分。采用WDW-300型萬能試驗機進行拉伸性能測試，拉伸試樣如圖3所示。選用Keller試劑（95 mL H2O+2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1.0 mL HF）腐蝕試樣，在LEICA DM4M型金相顯微鏡下觀察合金鑄態(tài)和沉積態(tài)低倍組織，并通過Nova-Nano SEM 450型號掃描電子顯微鏡觀察沉積態(tài)高倍組織和拉伸斷口形貌。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 ZL114A增材樣件的化學(xué)成分

WAAM成形ZL114A樣件的化學(xué)成分如表3所示。相較于原材料ZL114A絲材，成形后的樣件中Mg元素含量降低了4.4%，這是由于在WAAM成形過程中，電弧產(chǎn)生的高溫遠超Mg元素的沸點，使得Mg元素揮發(fā)。而Si元素含量略微增加，ZL114A絲材在電弧作用下進行重熔，Si元素重新分布、聚集，造成局部Si元素的增加。為保證WAAM成形樣件的化學(xué)成分滿足標準要求，應(yīng)嚴格控制ZL114A絲材中Mg、Si元素的含量。

2.2 微觀組織

2.2.1 沉積態(tài)微觀組織

WAAM成形沉積態(tài)ZL114A試樣及金屬型鑄態(tài)ZL114A合金試樣腐蝕后的微觀組織形貌如圖4所示。沉積態(tài)ZL114A試樣的金相組織由淺色的樹枝狀晶α-Al基體及在α-Al間隙中呈網(wǎng)狀分布的黑色的共晶Si相組成（見圖4a）;共晶Si相為棒狀或顆粒狀非均勻分布在α-Al基體上（見圖4b）。

沉積態(tài)ZL114A試樣的微觀組織分為細晶區(qū)和粗晶區(qū)兩個區(qū)域，細晶區(qū)晶粒組織細小而密集，粗晶區(qū)晶粒組織粗大且分布疏松。這是由于能量分布的不同，熔池不同區(qū)域冷卻速度不同，導(dǎo)致晶粒細化程度不同。熔池中心較高的冷卻速度易獲得細小的晶粒，形成細晶區(qū)。熔池邊緣冷卻速度慢且在焊接過程中后一道焊接直接在前一道焊縫表面上進行焊接，導(dǎo)致熔池邊緣處承受大量焊接熱輸入，發(fā)生部分重熔，晶粒粗化，形成粗晶區(qū)。

與金屬型鑄態(tài)ZL114A合金微觀組織（見圖4c）相比，WAAM成形試樣的晶粒尺寸更加細小，枝晶間距更短、共晶Si形貌由長針狀變?yōu)槎贪魻罨蝾w粒狀，分布更均勻。

2.2.2 熱處理態(tài)微觀組織

在WAAM成形過程中，較高的熱輸入和較快的冷卻速率導(dǎo)致溫度梯度較大，使得沉積態(tài)試樣內(nèi)部存在一定的殘余應(yīng)力、組織及共晶Si相分布不均勻。為解決這一問題，對試樣進行T6熱處理，熱處理后的微觀組織形貌如圖5所示?？梢钥闯?，橫、縱截面微觀組織差異較小，顆粒狀或球狀共晶Si相細小彌散分布在α-Al基體上，共晶Si相的能譜分析結(jié)果如圖6所示。相較于沉積態(tài)微觀組織，熱處理后的晶粒形態(tài)發(fā)生較大改變，枝晶組織消失，共晶Si相部分重溶于α-Al基體，部分共晶Si相球化。

2.3 拉伸性能與斷口形貌

2.3.1 拉伸性能

為保證試樣拉伸性能數(shù)據(jù)的精確性，將加工好的拉伸試樣進行微納CT檢測，未發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷。WAAM成形ZL114A合金試樣的拉伸性能數(shù)據(jù)如表4所示，沉積態(tài)試樣X-Y向、Z向的抗拉強度、屈服強度基本一致，但延伸率X-Y向（18.8%）比Z向（14.1%）略高，說明沉積態(tài)試樣存在各向異性。

經(jīng)T6熱處理后，試樣的抗拉強度增至370 MPa、屈服強度增至310.4 MPa、延伸率降至8.6%，這是由于T6熱處理的WAAM試樣具有均勻分布的球化Si相，而球化的Si顆粒周圍的形變畸變能最小，應(yīng)力集中程度最弱，Si相與基體相的協(xié)調(diào)最佳，使得合金在拉應(yīng)力作用下的變形能以更加協(xié)調(diào)的方式進行，裂紋不易萌生和傳播，位錯將受到更多的阻礙[11]，從而導(dǎo)致抗拉強度和屈服強度升高、延伸率降低。此外，T6態(tài)的WAAM成形試樣的橫、縱截面微觀組織差異較小，均是球狀共晶Si相彌散、均勻分布在α-Al基體，導(dǎo)致X-Y向與Z向的拉伸性能的各向異性消失。

相較于金屬型鑄造（T6態(tài)）[14]，WAAM成形試樣（T6）的抗拉強度、屈服強度及延伸率均顯著高于鑄態(tài)合金，這是由于WAAM成形是快速熔化及冷卻的過程，極大的冷卻速率可以進一步細化晶粒、獲得細小的共晶Si相，經(jīng)T6熱處理后，細小的Si相更易球化并彌散均勻地分布在α-Al基體上，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中點，從而獲得更加優(yōu)異的綜合性能[15-17]。

2.3.2 拉伸斷口形貌

WAAM成形ZL114A試樣（T6）的拉伸斷口形貌如圖7所示。拉伸試樣斷口宏觀形貌存在多個微型氣孔缺陷，邊緣存在多條撕裂棱，試樣斷口總體表現(xiàn)為典型的韌窩狀且等軸分布，韌窩密集且深度大、分布均勻;每一個韌窩內(nèi)部均包含一個第二相質(zhì)點作為微孔形成的核心，少數(shù)韌窩在撕裂棱周圍呈不規(guī)則分布。此外，在斷口處發(fā)現(xiàn)有二次裂紋的存在，這是由于斷裂引發(fā)的次生裂紋。

3 結(jié)論

（1）WAAM成形過程中Si、Mg元素含量發(fā)生改變，Mg元素少量燒損，Si元素重新分布，略微增加。

（2）WAAM成形沉積態(tài)試樣的微觀組織由樹枝狀晶α-Al基體和顆粒狀共晶Si相組成，且分為細晶區(qū)和粗晶區(qū)。經(jīng)T6熱處理后，樹枝狀晶消失，共晶Si相發(fā)生球化，呈細小彌散狀態(tài)分布。

（3）WAAM成形沉積態(tài)試樣的拉伸性能X-Y向和z向存在各向異性，經(jīng)T6熱處理后，WAAM成形試樣的抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為370.0 MPa、310.4 MPa、8.6%;拉伸斷口為韌性斷裂。

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Wire arc additive manufacturing， heat treatment， microstructures and

mechanical property of ZL114A alloy

ZHENG Tao， SHI Hanchao， QIAO Yanqi， XIONG Huaping， CHEN Hao

（3D Printing Research and Engineering Technology Center， Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095， China）

Abstract： The process of ZL114A alloy fabricated by wire arc additive manufacture（WAAM） was studied. The microstructure and mechanical properties of as-deposited specimens fabricated by WAAM and heat-treated specimens were analyzed. The results show that the microstructure of as-deposited is composed of dendritic α-Al matrix and granular eutectic Si-phase， and the coarse crystal regions occurred in the two-neighboured welding beads in the WAAMed component. Compared with the traditional metal casting method， the microstructure of as-deposited specimens shows smaller grains and the distribution of the fine eutectic Si-phase becomes uniform. After T6 heat treatment， the dendrite in the WAAMed specimens disappears and the eutectic Si-phases are spheroidized and they show a finely-dispersed distribution. These microstructure characteristic contributes to the significant improvement of the mechanical properties. The tensile strength， yield strength and elongation of the WAAMed component are 370.0MPa/310.4MPa and 8.6%， respectively， and the surface of the tensile specimens? fracture is characterized by ductile fracture.

Key words： ZL114A alloy; wire arc additive manufacture（WAAM）; heat treatment; microstructure and properties