固溶時效處理對4043鋁合金沉積層組織與性能的影響

解瑞軍，王祺星，陳芙蓉

材料與成形性能

固溶時效處理對4043鋁合金沉積層組織與性能的影響

解瑞軍，王祺星，陳芙蓉

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學 材料科學與工程學院，呼和浩特 010000）

研究CMT增材制造的4043鋁合金在固溶時效處理后的組織與性能變化規(guī)律。利用基于冷金屬過渡技術的金屬絲材增材制造方法制造出4043鋁合金試件，采用金相組織觀察、硬度測試、室溫拉伸性能測試、能譜分析等手段，觀察并測試固溶時效處理后4043鋁合金沉積層的組織與性能。增材制造的沉積層與母材間的成分分布不均勻，Al多以樹枝狀晶形式存在，共晶Si以片狀形式存在，固溶時效處理能夠使沉積層內(nèi)共晶Si聚集，元素擴散均勻。在540 ℃下固溶處理2 h、180 ℃下時效處理8 h后，性能提升最為明顯。使用增材制造方式制造零件后，可采用固溶時效處理的方式改善組織、提高性能，從而擴大使用范圍。

4043鋁合金；絲材增材制造；固溶時效處理；組織；力學性能

增材制造技術（additive manufacturing，AM）又稱3D打印技術，是近年來國內(nèi)外興起的一種制造技術，具有材料利用率高、可制造復雜幾何構(gòu)件等優(yōu)點?；谝陨蟽?yōu)點，使用常規(guī)電弧焊接設備、輔以可控制位移設備進行逐層沉積的金屬絲材增材制造（WAAM）技術受到了廣泛關注，相比于激光與電子束增材制造技術，該技術具有設備價格低廉、操作簡便、原料易制備且無需要求苛刻的真空試驗環(huán)境等優(yōu)勢[1-2]。當前WAAM技術主要應用于鋁合金、鈦合金、碳鋼中，多使用鎢極惰性氣體保護焊（GTAW）或熔化極氣體保護焊（GMAW）作為熱源，通過WAAM制造出的零件質(zhì)量受工藝參數(shù)、熔覆材料和其他環(huán)境因素的影響[3]。冷金屬過渡（CMT）技術是在傳統(tǒng)熔化極氣體保護焊（MIG）的基礎上改良開發(fā)出來的技術，其基本原理是焊絲向熔池運動，當觸及熔池后電弧熄滅，焊絲快速回抽促進熔滴進入熔池，焊絲的回抽運動頻率可高達90次/s，這極大減小了焊接過程中的熱輸入。將CMT技術應用于鋁合金增材制造中，能夠?qū)崿F(xiàn)飛濺小甚至無飛濺的增材過程。

Al–Si合金因具有較高的比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的成形能力被廣泛應用于鋁合金絲材增材制造中。Wang等[4]使用可變極性氣體保護鎢極電弧焊（VP–GTAW）增材制造了4043鋁合金，觀察分析了焊接參數(shù)對沉積試件的顯微組織、側(cè)壁粗糙度與硬度的影響，并研究了析出物的主要分布區(qū)域。Heard等[5]使用短路過程可控的惰性氣體保護焊增材制造了4047鋁合金，發(fā)現(xiàn)共晶Si被細化成了纖維態(tài)，相比鑄態(tài)4047鋁合金，其延展性得到了大幅提高。Wang等[6]使用CMT技術增材制造了4043鋁合金，觀察到試件中部區(qū)域的枝晶相較頂部與底部的枝晶相更加粗大，表現(xiàn)出了與傳統(tǒng)鑄造和焊接鋁合金相似的力學性能，但層間結(jié)合處粗大的晶體結(jié)構(gòu)導致其力學性能有一定程度的下降，且晶粒硬度較低，共晶Si多為粗大片狀，這使其在實際應用中受到了諸多限制。研究表明，焊后熱處理能使鋁合金的顯微組織與力學性能得到明顯改善，從而延長其使用壽命并擴大其使用范圍[7-8]，這一過程主要通過改變共晶Si和初生Si的形態(tài)、尺寸及合金元素的析出方式等，熱處理后Si相的形態(tài)球化可以提高鋁合金的強度及耐磨性，但Si相的尺寸變大又會導致鋁合金的耐磨損性能降低[9]。

文中主要研究了ER4043鋁合金增材制造后沉積層中元素的擴散情況，以及增材試件進行固溶時效處理后沉積層的顯微組織與力學性能的變化情況。

1 試驗

試驗材料選用直徑為1.2 mm的鋁硅ER4043焊絲，它是一種用途廣泛的通用焊接材料，適用于鋁合金的焊接和電弧增材制造，母材選用厚度為4 mm的6061鋁合金基板，焊絲和基板的化學成分如表1所示。

表1 焊絲與基板化學成分

Tab.1 Chemical compositions of wire and matrix materials wt.%

試驗系統(tǒng)包含奧地利Fronius公司研發(fā)的CMT焊機、TPS2700 CMT弧焊電源、自行開發(fā)的三維滑臺、PLC控制臺等設備，保護氣使用氬氣，采用往復式沉積的方式進行增材，沉積層數(shù)為10，沉積過程如圖1所示。焊接電流為150 A，焊接電壓為16.7 V，焊接速度為8 mm/s，保護氣流量為15 L/min，在此參數(shù)下進行增材制造的零件表面成形質(zhì)量高，表面光滑平整，氣孔較少。

對增材沉積層進行熱重分析（見圖2），對照Al–Si二元合金相圖，在無燒損的前提下選擇固溶溫度為540 ℃。使用馬弗爐對試件進行固溶處理，使用干燥箱進行時效處理，固溶處理溫度為540 ℃，固溶時間為2 h，時效溫度為180 ℃，時效時間分別為4、6、8、10、12 h。對斷面進行EDS能譜分析，觀察焊后各元素的分布情況。使用電火花線切割機沿垂直試樣增材方向進行切割，切取試樣中包含合金沉積層以及相連的基板，制備金相試樣并使用金相顯微鏡觀察分析其組織形貌變化。使用顯微維氏硬度計測量試樣各個區(qū)域的顯微硬度。按照GB/T 228.1—2010沿平行焊接方向切割板狀拉伸試樣，使用萬能試驗機進行室溫拉伸性能測試。

圖1 CMT增材制造沉積過程

圖2 沉積層熱重分析

2 結(jié)果與分析

2.1 元素分布與顯微組織

經(jīng)過增材制造的沉積修補后，沉積物與基板都經(jīng)歷了一系列復雜的熱循環(huán)，連續(xù)循環(huán)的加熱與冷卻過程相當于對已沉積區(qū)域和相連的基板進行多次熱處理[10-12]，母材與第1層沉積層間縱向和橫向的元素能譜分別見圖3和圖4。結(jié)合圖3與圖4可知，在修補后的零件中，Si元素在沉積層垂直方向上與母材有明顯分界，基板中的Mg元素也有少量過渡到沉積層中且分布較為均勻。水平方向上Si元素以焊道為中心，呈中心高、兩側(cè)低的對稱分布趨勢。

沉積層固溶時效處理后的顯微組織如圖5所示。由圖5a可知，原始狀態(tài)下的沉積層組織為Al樹枝狀晶與片狀共晶Si組織共存，并且Si分布較為均勻。固溶處理后，隨時效時間的延長，Al晶粒逐漸長大，共晶Si慢慢聚集呈不規(guī)則分布，適量的共晶Si聚集有利于性能的提高，因此固溶時效處理造成的共晶Si聚集是改變沉積層性能的關鍵[13-15]。

2.2 顯微硬度分布

修復后的零件硬度明顯下降，圖6為固溶時效處理后試件各個區(qū)域的顯微硬度結(jié)果?？梢钥吹?，以沉積試件為中心，兩側(cè)各位置的平均硬度呈對稱分布，總體硬度從邊緣向沉積試件中心位置呈先降低后上升的變化狀態(tài)，這主要是由化學成分的不均勻分布、增材制造過程中的熱影響作用以及共晶Si的聚集程度升高導致的[16]。固溶處理后原始態(tài)試件的平均硬度最低，180 ℃時效處理后硬度得到提升，時效處理8 h后硬度提升最大，遠離熔合區(qū)的基板也能恢復至修補前的平均硬度水平，若繼續(xù)延長時效時間則硬度反而下降[17-19]。

圖3 母材與第1層沉積層間縱向元素能譜

圖4 母材與第1層沉積層間橫向元素能譜

圖5 沉積層固溶時效處理后顯微組織

2.3 室溫拉伸性能

室溫拉伸性能測試結(jié)果也顯示出相同的變化趨勢，圖7為沉積層固溶時效處理后的抗拉強度與斷后伸長率?？梢钥闯觯敃r效時間為8 h時，抗拉強度達到最大，最大抗拉強度為221.77 MPa，時效時間不足與過長均達不到最優(yōu)性能。當時效時間在8 h以內(nèi)時，共晶Si的少量聚集會阻礙位錯運動，提高沉積層的拉伸性能。繼續(xù)延長時效時間，共晶Si過度富集，會形成斷裂的起點，造成沉積層抗拉強度降低[20-21]。

圖6 固溶時效處理后試樣各區(qū)域硬度

圖7 沉積層固溶時效處理后的抗拉強度與斷后伸長率

3 結(jié)論

1）對ER4043鋁合金焊絲增材制造修復的6061鋁合金零件進行固溶時效處理，在保持固溶處理溫度與時間不變的條件下，隨著時效時間的延長，沉積層內(nèi)Al晶粒長大，共晶Si逐漸聚集，適量的聚集能夠提升零件的力學性能，過度聚集則會造成力學性能下降。

2）固溶時效處理后試件整體硬度得到提高，沉積層中心位置硬度可達到接近基板的硬度，共晶Si的適量聚集可阻礙位錯移動、提高拉伸性能，但過度聚集會形成斷裂的起點、反使拉伸性能降低，因此經(jīng)540 ℃固溶處理2 h、180 ℃時效處理8 h后的試樣獲得了最優(yōu)的力學性能。

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Effects of Solid Solution Aging Treatment on Microstructure and Properties of Deposited Layers of 4043 Aluminum Alloy

XIE Rui-jun, WANG Qi-xing, CHEN Fu-rong

(School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Huhhot 010000, China)

The work aims to study the change rules of microstructure and properties of 4043 aluminum alloy by CMT additive manufacturing after solid solution aging treatment. 4043 aluminum alloy specimen was manufactured by wire arc additive manufacturing (WAAM) with the cold metal transfer technique. The microstructure and properties of 4043 aluminum alloy after solid solution aging treatment were observed and tested through metallographic observation, hardness test, room temperature tensile property test and energy spectrum analysis. The composition distribution between the deposited layer and the additively manufactured base metal was not uniform, with Al mostly in the form of dendritic crystals and eutectic Si in the form of flakes. The solid solution aging treatment can make eutectic Si aggregate in the deposited layer and the elements diffuse evenly. The most obvious improvement in properties can be seen after solid solution aging treatment at 540 ℃ for 2 h and aging treatment at 180 ℃ for 8 h. The solid solution aging treatment can be used to improve the microstructure and properties after the production of the additively manufactured parts, thus expanding the range of use.

4043 aluminum alloy; wire arc additive manufacturing (WAAM); solution-aging treatment; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.019

TG146.21；TG661

A

1674-6457(2022)08-0134-06

2022–01–04

2019內(nèi)蒙古自然科學基金（RZ1900004193）

解瑞軍（1969—），男，博士，副教授，主要研究方向為金屬材料的焊接及其增材制造。

陳芙蓉（1972—），女，博士，教授，主要研究方向為材料焊接性及其表面改性。

責任編輯：蔣紅晨