軸類零件電弧熔絲軋制復(fù)合增材修復(fù)工藝研究

徐宏圖，田天泰，華昺力，詹文斌，韓賓，張琦

增材復(fù)合制造技術(shù)

軸類零件電弧熔絲軋制復(fù)合增材修復(fù)工藝研究

徐宏圖，田天泰，華昺力，詹文斌，韓賓，張琦*

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049）

針對(duì)電弧熔絲增材修復(fù)軸類零件時(shí)修復(fù)層出現(xiàn)柱狀晶粒、修復(fù)質(zhì)量不佳等問(wèn)題，進(jìn)行電弧熔絲和軋制復(fù)合的增材修復(fù)工藝研究。研究了電弧熔絲和軋制復(fù)合的軸類零件修復(fù)工藝，即在焊槍后緊鄰一個(gè)軋輥，對(duì)沉積層進(jìn)行軋制，使材料在高溫下發(fā)生塑性變形。開(kāi)發(fā)、制造和測(cè)試了一種新型設(shè)備，并在316L不銹鋼軸上進(jìn)行了修復(fù)實(shí)驗(yàn)。研究了軋制對(duì)修復(fù)件拉伸性能、硬度和微觀結(jié)構(gòu)的影響，并對(duì)沉積層和結(jié)合界面進(jìn)行了電子背散射衍射（EBSD）表征。軋制導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（DRX）形核從而細(xì)化了微觀組織。與基體金屬相比，修復(fù)層的硬度提高了20%～30%，屈服強(qiáng)度從220 MPa提高到432 MPa，極限抗拉強(qiáng)度從540 MPa提高到595 MPa。采用電弧熔絲和軋制復(fù)合的修復(fù)工藝可以細(xì)化修復(fù)層微觀組織，提高修復(fù)層的力學(xué)性能，該工藝可以有效解決軸類零件的修復(fù)問(wèn)題。

電弧熔絲增材制造；軋制；軸類零件；修復(fù)；再結(jié)晶

軸類零件廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、輪船、列車和機(jī)床制造等通用傳動(dòng)領(lǐng)域[1-2]。由于軸類零件長(zhǎng)期在惡劣的環(huán)境下工作，其表面經(jīng)常出現(xiàn)疲勞磨損、點(diǎn)蝕或其他缺陷，因此必須進(jìn)行修理和更換。每年都會(huì)有大量的軸類零件被廢棄，造成了巨大的資源浪費(fèi)，同時(shí)也不符合綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)的倡議。軸類零件修復(fù)和再制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)和成功應(yīng)用，對(duì)節(jié)能減排和綠色制造具有重大意義[3-4]。

近幾十年來(lái)，利用先進(jìn)的增材制造技術(shù)修復(fù)損傷零件已成為制造業(yè)的重要研究熱點(diǎn)，其中直接能量沉積（Directed Energy Deposition，DED）技術(shù)由于設(shè)計(jì)自由度較大、可以準(zhǔn)確定位等優(yōu)勢(shì)而受到了廣泛關(guān)注[5]。電弧熔絲增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）作為DED工藝之一，其沉積層組織致密、孔隙率小、材料利用率和沉積效率高、設(shè)備制造簡(jiǎn)單且成本低廉，被公認(rèn)為是零件修復(fù)的有效解決方案[6-7]。Li等[8]提出了槽加工和WAAM填充修復(fù)金屬零件表面缺陷的方法，開(kāi)發(fā)了數(shù)學(xué)模型以確定WAAM制造參數(shù)。Priarone等[9]研究了一種用于鑄造內(nèi)燃機(jī)缸蓋的H13模具鑲塊的修復(fù)工藝。Lee等[10]研究了機(jī)床再制造中使用WAAM修復(fù)受損部件的情況，以十字滑臺(tái)為例進(jìn)行了修復(fù)，分析了修復(fù)部件的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和力學(xué)性能。

上述研究證明了使用WAAM修復(fù)或再制造受損零件的可行性，但是大部分研究集中于模具和板類零件的表面修復(fù)，對(duì)軸類零件表面修復(fù)的研究較少，并且在修復(fù)后受損零件的修復(fù)層、界面和母材金屬之間發(fā)現(xiàn)了不同的微觀結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致硬度梯度發(fā)生變化，同時(shí)在結(jié)合界面處也表現(xiàn)出了較低的力學(xué)性能[11-13]，這在零件修復(fù)或再制造中是不可接受的。相關(guān)研究表明[14-15]，將WAAM與軋制相結(jié)合可以優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)、提高硬度和力學(xué)性能，這為使用WAAM修復(fù)零件提供了新的機(jī)遇。根據(jù)軋制溫度的不同，可分為層間冷軋和原位熱軋2種方法。

Colegrove等[14]最先應(yīng)用層間冷軋優(yōu)化WAAM零件的微觀結(jié)構(gòu)，在室溫下施加50～75 kN的載荷實(shí)現(xiàn)了晶粒細(xì)化。之后，層間冷軋工藝在鈦合金[16]、鋁合金[17]及高溫合金[18]的WAAM制造中都得到了應(yīng)用。與冷變形相比，復(fù)合熱變形工藝的成形載荷小，無(wú)須等待材料冷卻，可以實(shí)現(xiàn)原位變形強(qiáng)化。Zhang等[19-20]開(kāi)發(fā)了一種隨焊槍運(yùn)動(dòng)的熱軋工具，在高溫下軋制了焊道。Fu等[21]進(jìn)行了WAAM和熱軋復(fù)合工藝的研究，減小了零件的各向異性，實(shí)現(xiàn)了整體細(xì)化和結(jié)晶強(qiáng)化。周開(kāi)心等[22]研究了軋制對(duì)WAAM 5A56鋁合金組織和性能的影響，研究表明，經(jīng)軋制復(fù)合后成形件的綜合性能優(yōu)于自由沉積態(tài)的。

以上研究表明，WAAM和軋制相結(jié)合的工藝是可行的，該工藝有效細(xì)化了沉積層的微觀結(jié)構(gòu)，從而有效提高了硬度和力學(xué)性能。然而，目前大多數(shù)研究都集中在板類零件的沉積和軋制上，側(cè)重于沉積層的性能，而較少關(guān)注受損零件的修復(fù)。本文考慮了軸和板類零件之間的差異，并研究了WAAM和原位熱軋（HR-WAAM）相結(jié)合的軸類零件修復(fù)工藝。根據(jù)軸類零件的實(shí)際尺寸開(kāi)發(fā)并制造了一種用于軸類零件修復(fù)的新型設(shè)備。為了詳細(xì)評(píng)估軋制對(duì)修復(fù)性能的影響，對(duì)316L不銹鋼軸類零件進(jìn)行了修復(fù)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)沉積層和結(jié)合界面進(jìn)行了電子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction，EBSD）表征。以期為WAAM和軋制復(fù)合工藝在軸類零件修復(fù)中的應(yīng)用提供技術(shù)參考，以進(jìn)一步推動(dòng)其工業(yè)應(yīng)用。

1 電弧熔絲軋制復(fù)合增材工藝原理

軸類零件的HR-WAAM修復(fù)工藝原理如圖1所示。3個(gè)軋輥沿軸向均勻分布，頂部軋輥靠近焊槍，用于軋制焊道；左右兩側(cè)的軋輥主要起支撐作用，并對(duì)焊道進(jìn)行二次軋制。在修復(fù)過(guò)程中，保持焊槍不動(dòng)，修復(fù)的軸類零件做旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效的修復(fù)。HR-WAAM引入了一組額外的工藝參數(shù)，包括軋制力（，kN）、軋輥和焊槍之間的距離（，mm）以及軋制應(yīng)變（）。軋制應(yīng)變的定義如式（1）所示。

式中：為初始焊道高度，mm；為軋制后焊道高度，mm。運(yùn)動(dòng)參數(shù)可由式（2）～（4）計(jì)算得出。沉積過(guò)程中的線速度（l）如式（2）所示。

式中：為旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；為修復(fù)軸直徑，mm。軸類零件做螺旋運(yùn)動(dòng)，其導(dǎo)程角（）如式（3）所示。

式中：為搭接率；為焊道寬度，mm。進(jìn)給速度如式（4）所示。

a 圓周視圖 b 俯視圖

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)上述工藝原理，開(kāi)發(fā)了一種新型設(shè)備，如圖2所示。該設(shè)備主要由修復(fù)模塊、旋轉(zhuǎn)模塊、進(jìn)給模塊和機(jī)身組成。修復(fù)模塊可完成軸類零件的表面沉積和軋制。主體結(jié)構(gòu)由3個(gè)均勻分布的電動(dòng)缸組件和焊槍安裝支架組成（見(jiàn)圖2b），通過(guò)電動(dòng)缸控制軋輥的位置，定位精度小于0.05 mm，并配有力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軋制力的變化，同時(shí)布置了一個(gè)多自由度支架來(lái)調(diào)整焊槍的位置。旋轉(zhuǎn)模塊通過(guò)帶渦輪減速機(jī)的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)三爪卡盤實(shí)現(xiàn)軸的夾緊。進(jìn)給模塊通過(guò)伺服電機(jī)和絲杠模塊實(shí)現(xiàn)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)模塊通過(guò)底板安裝在導(dǎo)向滑塊上，并配有支撐裝置，以防止重力降低軸的定位精度。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)1 500 mm、直徑達(dá)180 mm的軸類零件的維修。

圖2 原位熱軋工藝設(shè)備

3 實(shí)驗(yàn)

使用直徑為1.2 mm的316L不銹鋼絲進(jìn)行修復(fù)，以316L不銹鋼軸為基體，其尺寸為140 mm×1 000 mm，厚度為20 mm，其化學(xué)成分如表1所示。沉積前，用丙酮拋光清洗軸的表面。所用焊機(jī)為林肯直流脈沖氬弧焊機(jī)INVERTEC CC400-TP。沉積參數(shù)如下：電弧電流為260 A，電弧電壓為14.3 V，送絲速度為3 m/min，沉積線速度為6 mm/s，搭接率為0.3。

表1 基底金屬和316L不銹鋼絲的化學(xué)成分

使用FOTRIC 346+熱成像紅外攝像機(jī)監(jiān)測(cè)軋制溫度。該相機(jī)的精度為±2 ℃，測(cè)量范圍為?20～ 1 550 ℃，分辨率為384像素×288像素，刷新率為30 Hz。如圖3a所示，當(dāng)軋輥和焊槍之間的距離為25 mm、發(fā)射率為0.85時(shí)，軋制溫度約為826 ℃。軋制溫度可通過(guò)調(diào)整軋輥和焊槍之間的距離來(lái)改變。分別采用WAAM和HR-WAAM工藝在軸表面進(jìn)行沉積，每個(gè)沉積層包括8個(gè)焊道，長(zhǎng)度約為55 mm，共沉積4層，控制軋制力在8 000 N左右，控制軋輥和焊槍的距離約為20 mm，此時(shí)軋制溫度為940～ 950 ℃，軋制后沉積層如圖3b所示。

用于EBSD測(cè)試的所有樣品均沿軸向切片。在流水下依次用400#、800#、1200#和2000#粒徑的碳化硅砂紙對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行打磨，并用0.25 μm的金剛石石膏進(jìn)行拋光。使用日立SU3500型掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）在150放大倍率下以2 μm的掃描步長(zhǎng)獲得750 μm×500 μm的EBSD圖。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Channel 5軟件進(jìn)行分析。根據(jù)晶界錯(cuò)向，對(duì)低角度晶界（Low Angle Grain Boundaries，LAGBs）和高角度晶界（High Angle Grain Boundaries，HAGBs）進(jìn)行分類，2°～15°為L(zhǎng)AGBs，大于15°為HAGBs。

拉伸試樣的取樣位置和尺寸如圖3c所示。由于修復(fù)層厚度較小，很難沿直徑方向切割試樣，而且考慮到軸在使用過(guò)程中主要承受彎曲和沖擊載荷，沿軸向的拉伸性能更為重要。沿軸向?qū)悠非懈畛蓤A棒，然后加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸，確保拉伸試樣的一半是沉積層，另一半是基體金屬。在室溫下使用Instron-5982材料試驗(yàn)機(jī)以0.5 mm/min的拉伸速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，并使用拉伸計(jì)測(cè)量彈性應(yīng)變。拉伸試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行了2次以確保其重現(xiàn)性。硬度測(cè)量分別在樣品的軋制區(qū)和重疊區(qū)進(jìn)行。測(cè)試間隔為0.5 mm，共測(cè)量15個(gè)點(diǎn)。

圖3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及取樣示意圖

4 結(jié)果與分析

用WAAM和HR-WAAM工藝修復(fù)的軸的正視圖和橫截面圖如圖4所示。可以看到，WAAM修復(fù)表面出現(xiàn)了一些裂紋，HR-WAAM修復(fù)表面由軋制區(qū)和重疊區(qū)交替組成。WAAM的沉積高度約為5 mm，HR-WAAM的沉積高度約為3.6 mm。從橫截面圖可以看出，WAAM修復(fù)表面呈波浪狀，而HR-WAAM表面則較為平整。

樣品沉積層和結(jié)合界面附近的IPF（Inverse Pole Figures）圖、晶界分布圖和(100)方向的極圖如圖5所示。由于WAAM試樣沉積層的晶粒尺寸過(guò)大，因此在測(cè)試過(guò)程中將掃描步長(zhǎng)改為4 μm。如圖5a和圖5b所示，WAAM試樣的沉積層顯示出較大的柱狀晶粒，尺寸最大可達(dá)2 mm，它是在前一層的基礎(chǔ)上外延生長(zhǎng)的，結(jié)合界面由等軸晶粒和長(zhǎng)度為100～200 μm的柱狀晶粒組成。如圖5c所示，HR-WAAM試樣在沉積層中顯示出高度細(xì)化的再結(jié)晶晶粒，柱狀晶粒被完全吞噬，平均晶粒尺寸僅為14 μm。結(jié)合界面附近還包含一些較小的柱狀晶粒，這可能是由軋制變形不夠?qū)е碌?。相比于WAAM試樣，在HR-WAAM試樣的沉積層和結(jié)合界面附近還存在大量的LAGBs。此外，WAAM試樣的紋理較強(qiáng)，而HR-WAAM試樣的紋理較弱，這表明軋制會(huì)降低紋理強(qiáng)度，使晶粒的取向更加隨機(jī)。

圖4 修復(fù)軸的正視圖和橫截面圖

對(duì)HR-WAAM試樣的沉積層進(jìn)行了分辨率更高的EBSD掃描（步長(zhǎng)為0.5 μm），以詳細(xì)觀察微觀結(jié)構(gòu)的演變，結(jié)果如圖6所示?？梢钥吹酱罅康脑俳Y(jié)晶晶粒，并且在原始晶粒內(nèi)部有許多LAGBs以及不完整的HAGBs，這種特征通常代表連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（Continuous Dynamic Recrystallization，CDRX）。文獻(xiàn)[23]報(bào)道了CDRX導(dǎo)致的晶粒細(xì)化，即LAGBs逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镠AGBs，最終形成新的再結(jié)晶晶粒。

多道多層試樣的硬度測(cè)試結(jié)果如圖7所示，其中A/A1表示軋輥正下方的測(cè)量區(qū)域，B/B1表示2個(gè)焊道重疊區(qū)的測(cè)量區(qū)域。重疊區(qū)的硬度較低，軋制后，硬度從175HV左右上升到210HV左右，軋輥正下方區(qū)域的硬度從182HV左右上升到230HV左右。

圖5 試樣不同區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)的IPF圖、晶界分布圖及相應(yīng)的(100)極圖

圖6 HR-WAAM 試樣不同區(qū)域的IPF及晶界分布圖

圖7 硬度測(cè)量結(jié)果

WAAM和HR-WAAM試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8a所示。將測(cè)得的拉伸性能與傳統(tǒng)的鑄造和鍛造316L不銹鋼的拉伸性能[24]進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖8b所示。WAAM試樣的平均屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為393 MPa、560 MPa和47%，其中極限抗拉強(qiáng)度達(dá)到了鍛件水平，屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率明顯優(yōu)于鍛件水平。HR-WAAM試樣的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提高到432 MPa和595 MPa，而伸長(zhǎng)率降低了7%，幾乎與母材伸長(zhǎng)率相同。

試樣斷裂表面的掃描電鏡圖像如圖9所示?？梢钥吹剑?種試樣都呈現(xiàn)出韌性斷裂模式，表面有大量韌窩。不同的是，在WAAM試樣表面發(fā)現(xiàn)了較大的空隙（通常為幾微米到十幾微米寬），而在HR-WAAM試樣中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何空隙，這表明軋制處理可以使孔隙閉合。Kan等[25]也報(bào)道了類似的現(xiàn)象：在0.75 kN的軋制載荷下，AM316L的伸長(zhǎng)率因孔隙閉合而增大，隨著軋制載荷的進(jìn)一步增大，伸長(zhǎng)率逐漸減小，這是由于316L中經(jīng)常出現(xiàn)強(qiáng)度-延展性權(quán)衡。

圖9 試樣斷裂面的 SEM 圖像

5 結(jié)論

介紹了一種軸類零件電弧熔絲軋制復(fù)合的增材修復(fù)工藝。開(kāi)發(fā)、制造和測(cè)試了一種新型設(shè)備，并在316L不銹鋼軸上進(jìn)行了修復(fù)實(shí)驗(yàn)。結(jié)論如下：

1）針對(duì)WAAM修復(fù)過(guò)程中出現(xiàn)的柱狀晶粒長(zhǎng)大、硬度低和力學(xué)性能差等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)并制造了一種WAAM和軋制復(fù)合的新型設(shè)備，用于修復(fù)損壞的軸類零件。

2）當(dāng)軋制力為8 000 N左右、軋制溫度為940～ 950 ℃時(shí)，與基體金屬相比，HR-WAAM修復(fù)層的硬度提高了20%～30%，屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別提高了96%和12%。

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Repair Process of Shaft Parts by Composite Wire and Arc Additive Manufacturing and Rolling

XU Hong-tu, TIAN Tian-tai, HUA Bing-li, ZHAN Wen-bin, HAN Bin, ZHANG Qi*

(School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

Aiming at the problems of columnar grains in the repair layer and poor repair quality during wire and arc additive repair of shaft parts, the work aims to study the composite repair process of wire and arc additive manufacturing and rolling. The composite process of wire and arc additive manufacturing and rolling used to repair shaft parts was investigated, in which the deposition layer was rolled by the roller after welded by welding torch, so that the material was plastically deformed at high temperature. A novel device was developed, fabricated and tested, and repair experiments were conducted on 316L stainless steel shafts. The effect of rolling on the tensile properties, hardness and microstructure of the repaired part was investigated and the deposition layer and interface were characterized by electron backscatter diffraction (EBSD). Rolling led to dynamic recrystallization (DRX) nucleation, thereby refining the microstructure. Compared with the base metal, the hardness of the repair layer increased by 20%-30%, and the yield strength and ultimate tensile strength increased from 220 MPa to 432 MPa and from 540 MPa to 595 MPa, respectively. The composite repair process of wire and arc additive manufacturing and rolling can refine the microstructure of the repair layer and improve the mechanical properties of repair layer, so it can effectively solve the problems in the repair of shaft parts.

wire and arc additive manufacturing; rolling; shaft parts; repair; recrystallization

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.001

TH162

A

1674-6457(2023)011-0001-08

2023-08-06

2023-08-06

國(guó)家自然科學(xué)基金（52275375）；陜西地建-西安交大土地工程與人居環(huán)境技術(shù)創(chuàng)新中心開(kāi)放基金（201912131-A3）

The National Natural Science Foundation of China (52275375); Technology Innovation Center for Land Engineering and Human Settlements, Shaanxi Land Engineering Construction Group Co., Ltd., and Xi’an Jiaotong University (201912131-A3)

徐宏圖, 田天泰, 華昺力, 等. 軸類零件電弧熔絲軋制復(fù)合增材修復(fù)工藝研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 1-8.

XU Hong-tu, TIAN Tian-tai, HUA Bing-li, et al. Repair Process of Shaft Parts by Composite Wire and Arc Additive Manufacturing and Rolling[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 1-8.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：蔣紅晨