層間超聲沖擊對(duì)TIG電弧增材制造2219鋁合金組織和力學(xué)性能的影響

武永 鄧威 劉愷 張志來 吳迪鵬 陳明和 柏久陽(yáng)

摘要：針對(duì)鋁合金電弧增材構(gòu)件存在的氣孔等內(nèi)部缺陷，開展不同層間超聲沖擊工藝參數(shù)下電弧增材制造2219鋁合金的晶粒形貌、力學(xué)性能和氣孔缺陷試驗(yàn)研究，分析了層間超聲沖擊對(duì)試件性能的強(qiáng)化效果。結(jié)果表明，降低沖擊掃描速度和提高沖擊次數(shù)，晶粒尺寸減小，頂部圓弧區(qū)的樹枝晶被破碎向等軸晶轉(zhuǎn)化；相比無沖擊的增材制造材料，以2mm/s速度掃描沖擊三次試樣的抗拉強(qiáng)度提升了10.2%，屈服強(qiáng)度提升了32.4%；TIG電弧增材制造構(gòu)件的氣孔數(shù)量、平均直徑和圓度隨超聲沖擊增加而降低，部分直徑小的氣孔直接閉合。本研究對(duì)電弧增材制造應(yīng)用于大型鋁合金薄壁構(gòu)件成形及組織性能控制有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電弧增材制造；層間超聲沖擊；2219鋁合金；非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊

中圖分類號(hào)：V232.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.11.013

針對(duì)飛行器輕量化需求，需要大量空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜和整體化零部件，對(duì)零件制造工藝提出更高要求[1]。增材制造（additive manufacturing， AM）是一種高效、靈活、低成本的柔性制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)形性兼具的結(jié)構(gòu)功能一體化的部件、組件制造[2-5]。王華明團(tuán)隊(duì)研制了最大成形尺寸達(dá)7m×4m×3.5m的激光增材制造設(shè)備[6]，制造了投影面積16m2的鈦合金加強(qiáng)框[5]。雖然激光增材在材料利用率及生產(chǎn)成本上具有一定優(yōu)勢(shì)，但制造效率較低，一般為幾十到幾百克/小時(shí)。電弧增材制造（wire arc additive manufacturing， WAAM）以電弧為熱源、絲材為原料，加工效率高，可達(dá)幾千克/小時(shí)，設(shè)備和運(yùn)行成本低，在大型復(fù)雜構(gòu)件的制造中具有明顯優(yōu)勢(shì)[7]。

2219鋁合金廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如5m級(jí)2219鋁合金環(huán)件[8]、？9.5m級(jí)2219鋁合金整體過渡環(huán)[9]等大尺寸件。鋁合金電弧增材制造相對(duì)于傳統(tǒng)的制造方式有著許多優(yōu)勢(shì)，盧秉恒團(tuán)隊(duì)利用電弧熔絲增減材一體化制造技術(shù)制成了10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金重型運(yùn)載火箭連接環(huán)樣件[10]。但增材制造零部件組織性能仍略有不足，主要原因是由于熱力循環(huán)增材加工過程中出現(xiàn)了粗大柱狀晶[11]、內(nèi)部氣孔[12-15]、偏析[16]等。氣孔是鋁材電弧增材制造過程中的主要缺陷，裂紋通常從氣孔的位置開始萌生。Toda等[17]對(duì)Al-Mg4合金冷軋后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部氣孔出現(xiàn)閉合；Chaijaruwanich等[18]對(duì)Al-Mg6合金在400℃熱軋后氣孔數(shù)量大量減少；顧江龍[19]對(duì)CMT電弧增材制造2319鋁合金以45kN軋制，有效地閉合了金屬內(nèi)部氣孔。

超聲沖擊強(qiáng)化通過引入塑性變形，破碎了粗大枝晶，使之轉(zhuǎn)化為細(xì)小晶粒，強(qiáng)化了材料表面，這種工藝在制備納米晶、材料細(xì)化提純上已得到應(yīng)用[20-21]。在超聲沖擊的重復(fù)局部壓縮變形作用下，氣孔內(nèi)部平衡結(jié)構(gòu)被破壞，內(nèi)部氫分子重新進(jìn)入鋁基體中，從而有效閉合氣孔，消除裂紋源[22]。

本文在電弧增材制造過程中各熔覆層之間引入超聲沖擊工藝，改變零件微觀組織，減少內(nèi)部缺陷，提升構(gòu)件整體性能，為電弧增材制造成形大型鋁合金薄壁構(gòu)件應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

1材料與試驗(yàn)

試驗(yàn)采用ER2319焊絲，直徑1.2mm，具體成分見表1?；暹x用5mm厚的5356鋁合金軋板。

圖1為本試驗(yàn)設(shè)備，包括日本OTC公司交直流兩用ADP-400型焊機(jī)，WEILD公司的WF-007A型多功能自動(dòng)氬弧填絲機(jī)，ESTUN公司的ER6-1600型機(jī)器手臂，重復(fù)定位精度0.08mm。采用TJS-智能數(shù)控超聲波發(fā)生器和直徑10mm圓柱形超聲沖擊頭，實(shí)現(xiàn)超聲沖擊強(qiáng)化效果，最大功率1000W，沖擊頻率20kHz。將超聲沖擊槍安裝在汽缸上，實(shí)現(xiàn)壓力控制，壓力大小50N。超聲沖擊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡由NHSK1060數(shù)控加工機(jī)床實(shí)現(xiàn)。

TIG電弧增材制造和超聲沖擊強(qiáng)化復(fù)合工藝原理如圖2所示。x為焊槍及超聲沖擊槍掃描方向，z為增材方向，y為垂直于焊墻方向。試驗(yàn)時(shí)，首先完成一層焊道熔覆，隨后對(duì)焊道表面進(jìn)行超聲沖擊處理。每次熔覆都在同側(cè)起弧，另一側(cè)熄弧。每次熔覆前確保表面溫度在100℃以下。將基板用壓塊固定，避免熔覆過程中基板受熱變形。用砂紙去除基板表面氧化膜，用酒精或者丙酮去除基板表面雜質(zhì)，避免熔覆過程中氣孔的產(chǎn)生。焊機(jī)模式選擇交流TIG模式。保護(hù)氣體為純度99.9%的氬氣，氣體流量15L/min。鎢針頭露出焊槍保護(hù)頭2mm，鎢針頭距離熔覆焊道表面3～ 4mm。焊絲從熔池前方送入熔池，送絲裝置與焊槍角度保持在60°左右。

利用電火花線切割將試樣沿著xoz平面剖開，砂紙打磨后拋光處理。采用Keller試劑（HF∶HCl∶HNO3∶H2O=1∶1.5∶ 2.5∶95），腐蝕時(shí)間為8～10s。采用江南MR5000光學(xué)顯微鏡對(duì)金相組織進(jìn)行觀察。采用HITACHI TM3000型掃描電鏡觀察斷口形貌。

采用HVS-1000A維氏硬度顯微硬度儀測(cè)試了增材制造2219鋁合金的硬度。測(cè)試載荷0.98N，保壓時(shí)間10s。測(cè)試區(qū)域選擇5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，間隔0.1mm。

電火花線切割制備拉伸試樣，平行于xoz平面，用砂紙去除線切割痕跡，試樣尺寸符合GB/T 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。在UTM5504X電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試樣強(qiáng)度和塑性的測(cè)試，加載速率為5mm/min。使用引伸計(jì)測(cè)量變形量。

2結(jié)果分析

2.1 TIG電弧增材制造試樣組織特征

TIG電弧增材制造2219鋁合金外觀形貌如圖4所示，單層高度0.1～0.2mm，總高度140mm，掃描方向長(zhǎng)度290mm左右。電弧增材制造的金屬墻表面質(zhì)量較好，部分區(qū)域因打印過程停機(jī)略有凹陷。TIG電弧增材制造的自動(dòng)化程度略低于MIG，效率略低，但成形質(zhì)量及組織性能較好。

圖5為增材制造試樣的微觀組織，取樣區(qū)域見圖4。圖5（a）為增材方向的頂部圓弧區(qū)域，主要是等軸樹枝晶。這是因?yàn)門IG電弧增材制造試樣的熱量主要沿著焊墻進(jìn)行擴(kuò)散，頂部區(qū)域的一次枝晶沿增材方向生長(zhǎng)成柱狀晶。柱狀晶在急冷下未完全生長(zhǎng)便凝固，形成了大量的枝狀晶。且空氣的散熱能力遠(yuǎn)不及鋁合金，熔池外沿冷卻速度慢，晶粒朝向熔池外沿生長(zhǎng)為等軸樹枝晶。圖5（b）為頂部圓弧區(qū)和中部過渡區(qū)，樹枝晶與亞晶界逐漸減少，組織由樹枝晶向多邊形胞狀晶轉(zhuǎn)化，晶界變得清晰。圖5（c）為中部區(qū)域，晶粒呈現(xiàn)等軸晶形貌。圖5（d）為底部熱影響區(qū)，以沿增材方向生長(zhǎng)的柱狀晶為主。冷卻過程的溫度梯度方向直接影響晶粒的生長(zhǎng)方向，這是由晶粒總是沿溫度梯度最大的方向生長(zhǎng)這一特性決定的[23]。

2.2超聲沖擊掃描速度的影響

未超聲沖擊處理的試樣頂部呈現(xiàn)片狀、塊狀、骨骼狀的柱狀晶，如圖6（a）所示。試樣頂部圓弧區(qū)經(jīng)過超聲沖擊處理后，晶粒由塊狀破碎細(xì)化，尺寸明顯減小，組織分布更均勻。通過減小超聲沖擊掃描速度，打斷樹枝晶，使得晶粒細(xì)化更明顯。超聲沖擊處理試樣頂部組織的晶粒內(nèi)和晶界上都出現(xiàn)了不同程度的第二相顆粒。

超聲沖擊掃描速度為6mm/s時(shí)，相比未經(jīng)超聲處理的頂部圓弧區(qū)，組織以發(fā)達(dá)的柱狀晶為主，部分晶粒細(xì)化，柱狀晶呈塊狀，未被完全破碎成片狀，如圖6（b）所示；掃描速度為4mm/s時(shí)，部分柱狀晶被打斷，晶粒向等軸晶轉(zhuǎn)化，如圖6（c）所示；掃描速度為2mm/s時(shí)，細(xì)化程度進(jìn)一步增加，如圖6（d）所示。

2.3超聲沖擊次數(shù)的影響

圖7展示了無超聲沖擊處理、處理一次、兩次和三次的TIG電弧增材制造2219鋁合金內(nèi)部氣孔情況。無超聲沖擊處理2219鋁合金含有較多微米級(jí)氣孔。超聲沖擊處理試樣的氣孔數(shù)量更少，擠壓成橢圓形，微小氣孔閉合。不同超聲沖擊處理試樣的氣孔數(shù)量、平均直徑、孔隙率和氣孔圓度（短軸與長(zhǎng)軸的比值）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2，超聲沖擊一次后，試樣氣孔數(shù)量相比未超聲沖擊處理減少了13.2%，平均直徑減少了17.1%。當(dāng)超聲沖擊兩次后，試樣氣孔數(shù)量相比無超聲沖擊處理減少了20.4%，平均直徑減少了13μm。當(dāng)超聲沖擊次數(shù)三次后，氣孔平均直徑下降到了20μm以下，氣孔圓度0.66。

圖8是不同超聲沖擊次數(shù)下試樣的斷口微觀形貌。所有斷口都是由大量韌窩組成，這是韌性斷裂的標(biāo)志。超聲沖擊一次和兩次的斷口韌窩大小不一，部分較大韌窩附近分布著小韌窩；超聲沖擊三次的韌窩多為等軸韌窩，韌窩大小均勻，韌窩中心伴生著沖擊破碎的第二相粒子。沖擊一次和兩次的變形試樣的斷口內(nèi)分布大量的孔隙。沖擊三次后的斷口內(nèi)孔隙數(shù)量減少，斷口表面致密。

相較無沖擊處理試樣中接近圓形的氣孔，經(jīng)過處理的試樣氣孔更加扁平，圓度值更小。超聲沖擊處理試樣內(nèi)部氣孔數(shù)量、平均直徑、孔隙率和氣孔圓度隨著沖擊能量的加大而減小，說明氣孔閉合與試樣發(fā)生的塑性變形有關(guān)。本試驗(yàn)中，增加超聲沖擊次數(shù)，單位長(zhǎng)度試樣獲得的沖擊能量增多，焊道形變?cè)龃?，氣孔閉合越徹底。超聲沖擊的作用表現(xiàn)為閉合直徑5～10μm的小氣孔，對(duì)大氣孔僅僅起到壓扁的作用，這與超聲沖擊造成的塑性變形量有關(guān)。

2.4力學(xué)性能

從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，超聲沖擊處理試樣的硬度整體大幅提高，未沖擊試樣硬度值在68HV0.2上下波動(dòng)，不同深度處差異不大，掃描速度為2mm/s、材料深度方向的硬度值變化最大，相比未處理試樣硬度值提高了44.1%。硬度—深度曲線呈下降趨勢(shì)，在深度300μm附近曲線趨于平緩，說明超聲沖擊的有效影響深度在300μm。不同超聲沖擊掃描速度對(duì)試樣硬度值HV的影響程度大致上是HV2mm/s>HV4mm/s> HV6mm/s。相同深度下，增加超聲次數(shù)可提高試樣硬度。相比單次沖擊，在增加沖擊次數(shù)后，測(cè)量深度達(dá)到300μm時(shí)，硬度值仍有下降趨勢(shì)。

不同超聲沖擊工藝參數(shù)下TIG電弧增材制造2219鋁合金的拉伸性能如圖10所示，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都隨著變形程度的增加而變大。無沖擊處理試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別是249.7MPa、117.2MPa和16%。超聲沖擊掃描速度在2mm/s，沖擊次數(shù)為三次時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率分別為275.2MPa、155.2MPa和13.5%。相比無沖擊處理試樣，抗拉強(qiáng)度提高了10.2%，屈服強(qiáng)度提升了32.4%。

3結(jié)論

通過研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）隨著沖擊掃描速度的減小和沖擊次數(shù)的增加，微觀組織表現(xiàn)為等軸晶組織晶粒尺寸減小，頂部圓弧區(qū)的樹枝晶被破碎，開始向等軸晶轉(zhuǎn)化。

（2）超聲沖擊對(duì)熔覆層的作用隨著與上表面距離的增加而降低，有效作用深度約為距上表面300μm。相比未沖擊試樣，超聲沖擊掃描速度在2mm/s，沖擊次數(shù)三次試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提升了10.2%和32.4%。

（3）氣孔數(shù)量、平均直徑、孔隙率和圓度的變化都和超聲沖擊施加在熔覆焊道上的能量相關(guān)。超聲沖擊作用下，TIG增材制造2219鋁合金中的氣孔在沖擊力的作用下被壓扁，直徑小的氣孔直接閉合。

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Effect of Interlayer Ultrasonic Peening on the Microstructure and Mechanical Properties of 2219 Aluminum Alloy by TIG Wire Arc Additive Manufacturing

Wu Yong1，Deng Wei1，Liu Kai1，Zhang Zhilai1，Wu Dipeng1，Chen Minghe1，Bai Jiuyang2

1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

2. Nanjing Chenguang Group Co.，Ltd.，Nanjing 210006，China

Abstract： Aiming at the internal defects such as pores in aluminum alloy arc additive components， this paper carries out experimental research on the grain morphology， mechanical properties and pore defects of 2219 aluminum alloy manufactured by arc additive under different interlayer ultrasonic peening process parameters， and analyzes the interlayer ultrasonic peening strengthening effect on the performance of the test piece. The results show that by reducing the peening scanning speed and increasing the number of peening， the grain size is reduced， and the dendrites in the top arc area are broken and transformed into equiaxed crystals； compared to non- peening additive manufacturing materials， the peening is scanned at a speed of 2mm/s The tensile strength of the third sample was increased by 10.2%， and the yield strength was increased by 32.4%. The number of pores， average diameter and roundness of TIG wire arc additive manufacturing components decreased with the increase of ultrasonic peening， and some pores with small diameters were directly closed. This research has reference value for the application of wire arc additive manufacturing to the forming and microstructure and performance control of large-scale aluminum alloy thin-walled components.

Key Words： wire arc additive manufacturing； interlayered ultrasonic peening； 2219 aluminum alloy； tungsten inert gas welding （TIG）