CMT電弧增材制造5087鋁合金組織與拉伸性能研究

唐作富，陳國瑞，吳廣輝

湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

隨著國家“雙碳”政策和節(jié)能減排措施的持續(xù)推進(jìn)，各種運(yùn)載裝備越來越朝著輕量化方向發(fā)展，而鋁合金無疑是實(shí)現(xiàn)輕量化結(jié)構(gòu)最常見的材料之一[1，2]。目前，各種鋁合金結(jié)構(gòu)已經(jīng)在C919大型客機(jī)、CRH380高速列車、新能源汽車及瀕海戰(zhàn)斗艦船體等運(yùn)載裝備上得到了成功應(yīng)用，這些鋁合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用不僅能夠減輕裝備自身的重量，還能提升裝備的比強(qiáng)度和比剛度，降低單位能耗和運(yùn)行成本。

鋁合金之所以能成為一種優(yōu)異的輕量化結(jié)構(gòu)材料，不僅是因?yàn)槠渚哂忻芏鹊?、比?qiáng)度高、彈性模量高等特點(diǎn)，還因?yàn)槠渚哂辛己玫囊簯B(tài)流動(dòng)性和固態(tài)延展性等物理屬性，因此具有良好的鑄造性能、可軋制性、焊接性和可加工性的優(yōu)點(diǎn)[3，4]。然而，隨著運(yùn)載裝備朝著高速度、高性能、高顏值等方向快速發(fā)展，對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)的功能性要求卻越來越高，比如整體化結(jié)構(gòu)，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、異形結(jié)構(gòu)等各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這無疑將給鋁合金結(jié)構(gòu)件的一體化制造和成形增加了難度。

焊接是鋁合金結(jié)構(gòu)件制造最常用的方法之一，但焊接容易造成熱輸入大、結(jié)構(gòu)變形大、焊接接頭靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度偏低等問題，這在一定程度上制約了鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的廣泛應(yīng)用。而其他類似擠壓、鑄造、機(jī)械加工等方法都無法解決鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造難題[3，4]。

增材制造是最近20年發(fā)展起來的一項(xiàng)新型金屬零部件直接成形技術(shù)，其特殊的工藝過程使得該技術(shù)不僅能解決復(fù)雜零件整體成形難題，還能進(jìn)一步提升成形零件的力學(xué)性能，并能真正實(shí)現(xiàn)在材料成形過程中對(duì)形狀和性能進(jìn)行精準(zhǔn)控制的目的[5]。尤其是隨著電弧增材制造技術(shù)不斷突破[6，7]，使大尺寸復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件的高效率、高性能、低成本成形變成現(xiàn)實(shí)。電弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于重載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、宇宙飛船返回艙底架、大尺寸衛(wèi)星主承力支架等結(jié)構(gòu)件的制造，充分展示出了該技術(shù)的綜合優(yōu)勢。

研究表明，在鋁合金電弧增材制造過程中，由于液態(tài)鋁合金表面張力較小、熱導(dǎo)率較高以及工藝窗口較窄等因素，電弧增材制造過程中的鋁合金熔池極不穩(wěn)定[8，9]。不穩(wěn)定的熔池不僅會(huì)導(dǎo)致氣孔缺陷并影響到力學(xué)性能，還會(huì)造成單道熔覆層的形狀控制失敗，最終導(dǎo)致零件無法成形。因此，深入研究鋁合金電弧增材制造過程中單道單層成形規(guī)律，及其組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等基礎(chǔ)問題，是鋁合金電弧增材制造技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和迫切需求。本文將圍繞這些問題展開研究，以加深對(duì)鋁合金電弧增材制造技術(shù)的理解和認(rèn)識(shí)。

2 設(shè)備與方法

電弧增材制造設(shè)備熱源采用Fronius公司生產(chǎn)的TPS4000-CMT Advanced焊機(jī)，并將焊槍固定于發(fā)那科機(jī)械手臂末端。采用自主離線編程方式，控制機(jī)械手臂移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所有試樣的電弧增材制造成形。設(shè)備和焊槍外觀如圖1所示。

圖1 電弧增材制造設(shè)備和焊槍

電弧增材制造成形基板材質(zhì)為6082-T6鋁合金，基板尺寸為300mm×300mm×20mm。所有的電弧增材制造試樣成形均采用ER5087鋁合金焊絲，焊絲直徑為1.2mm。ER5087鋁合金焊絲化學(xué)成分見表1。

表1 ER5087鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

經(jīng)工藝優(yōu)化，電弧增材5087鋁合金主要焊接參數(shù)為：焊接電流177A，電弧電壓19.7V，送絲速度10m/min，焊接速度10mm/s，保護(hù)氣體為氬氣，氣體流量25L/min。在多道沉積過程中，每道之間的搭接率為30%。單道寬度設(shè)置為5.5mm，單道高度設(shè)置為3.5mm。電弧增材制造結(jié)束后，首先將試樣從鋁合金基板上切割，然后采用線切割方式按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，將試樣切割成金相和拉伸試樣。焊接接頭將被切割成標(biāo)準(zhǔn)金相試樣與拉伸試樣，采用光學(xué)顯微鏡及金相軟件進(jìn)行氣孔率分析，并進(jìn)行拉伸性能測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 單道單層成形

電弧增材制造是一種零部件的凈近成形技術(shù)，控形是該技術(shù)重要的因素之一。根據(jù)增材制造技術(shù)點(diǎn)-線-面-體的制造原理，電弧增材制造中單道沉積寬度和高度以及單層沉積高度和寬度，是決定整個(gè)零件尺寸精度乃至零件最終是否能夠成形的關(guān)鍵因素。因此，下面分析單道單層的成形規(guī)律。

圖2所示為電弧增材制造5087鋁合金的單道單層和多層形貌。從圖2可看出，所有沉積層的形貌整齊，沉積層表面沒有出現(xiàn)肉眼可見的缺陷、黏附物或飛濺物。圖3所示為在單層沉積層中，單道尺寸的變化趨勢。

圖2 電弧增材鋁合金單層和多層形貌

從圖3可看出，在某一單層沉積過程中，隨著沉積道數(shù)從1～5，單層總寬度幾乎呈直線上升趨勢。這說明，每道熔覆層的寬度趨于穩(wěn)定。從圖3中的單道寬度和單道高度曲線可看出，單道高度和寬度的平均數(shù)值為3.26mm和5.5mm。而在單道高度變化趨勢中，第1道的高度要略小于其余4道的高度，這是由于第1道沒有與任何其他沉積道搭接，而從第2道開始，依次在上一道上進(jìn)行搭接而產(chǎn)生的差異。同理，在單道寬度的變化趨勢中，第1道的寬度略寬于其余4道的高度，這也是由于第1道沒有搭接，而從第2道開始，依次在上一道上進(jìn)行搭接而產(chǎn)生的高度差。第2道后，高度和寬度的數(shù)值變化均趨于穩(wěn)定，這也表明參數(shù)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

圖4所示為在不同沉積層數(shù)下，單層高度和寬度的變化趨勢。

圖4 電弧增材制造鋁合金不同沉積層下寬度和高度的變化趨勢

從圖4可看出，電弧增材制造5087鋁合金從第1層到第6層的高度（寬度）呈現(xiàn)出先變小（大），然后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。對(duì)于單層寬度而言，這是因?yàn)殡S著沉積層數(shù)的增高，邊沿沉積時(shí)熔池有往外流動(dòng)的傾向，但隨著沉積層數(shù)越來越高，這種流動(dòng)趨向于穩(wěn)定。因此，隨著沉積層數(shù)增高，單層沉積層的高度和寬度也逐漸變得穩(wěn)定。這也說明，在電弧增材制造過程中，距離成形基板較近的沉積層，其高度與寬度分別呈現(xiàn)變大和變小的變化趨勢。而待沉積層逐漸增高，沉積層的高度和寬度變得穩(wěn)定。上述結(jié)果對(duì)于電弧增材制造鋁合金的控形具有參考意義。

3.2 組織結(jié)構(gòu)分析

在電弧增材制造過程中，單個(gè)熔池隨著電弧熱源的移動(dòng)而移動(dòng)，因此熔池內(nèi)部的熱量向熔池的下部及已沉積的固體部分進(jìn)行傳遞，最終傳導(dǎo)至基板，使得熔池快速冷卻凝固而形成沉積層。

在熔池的熱傳遞過程中，由于熔池在高速移動(dòng)，因此熱傳遞的方向并不是垂直于基板向下，而是具有一定的傾斜角度。而晶粒的生長方向恰恰與熱傳遞反方向相同，因此電弧增材鋁合金晶粒的生長方向也應(yīng)與基板垂直方向具有一定的傾斜角度。相關(guān)晶粒生長的變化規(guī)律與其他熱源的增材制造相類似[5]。

圖5所示為電弧增材制造5087鋁合金金相組織。從圖5a可看出，上下兩層的沉積層之間有明顯的冶金結(jié)合區(qū)域，即藍(lán)色虛線區(qū)域。該區(qū)域也就是上下相鄰兩層的搭接區(qū)域。此外，從圖5a還可明顯看到，搭接區(qū)域存在一些不規(guī)則氣孔，這些氣孔分布在單道沉積層內(nèi)或相鄰沉積層之間的區(qū)域，這可能是由于在電弧增材制造過程中，鋁合金材料的不完全熔化或氣體沒及時(shí)逸出熔池而導(dǎo)致的。這些氣孔缺陷可通過后續(xù)工藝調(diào)節(jié)，或加大惰性氣體保護(hù)等措施來避免或減弱。

圖5 電弧增材制造鋁合金金相組織

圖5b、c所示分別為電弧增材制造5087鋁合金X-Y水平截面和X-Z垂直截面的微觀金相組織。結(jié)合兩個(gè)截面的金相組織形貌可看出，電弧增材制造鋁合金晶粒形貌表現(xiàn)為明顯的柱狀晶組織結(jié)構(gòu)。經(jīng)測量，柱狀晶粒長度與寬度尺寸大約分布在80～200μm和50～100μm之間，晶粒度大約為5～6級(jí)。同時(shí)，從圖5b還可看出，柱狀晶的方向與基板的垂直方向存在一定的傾斜角度，這也印證了上述關(guān)于柱狀晶生長方向論述的正確性。

圖5揭示了在電弧增材制造鋁合金過程中，零件的定向沉積導(dǎo)致定向熱傳導(dǎo)，定向熱傳導(dǎo)導(dǎo)致定向柱狀晶生長的規(guī)律。為了進(jìn)一步探究柱狀晶粒的生長特點(diǎn)，圖6所示為單個(gè)柱狀晶粒內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)形貌。從圖6可看出，電弧增材制造5087鋁合金柱狀晶粒內(nèi)部枝晶形貌表現(xiàn)為樹枝晶和胞狀晶共存。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這種樹枝晶和胞狀晶的共存分布并沒有特殊的規(guī)律，這可能是由于在電弧增材過程中，電弧熱源能量密度過小，導(dǎo)致熔池體積過大，熔池內(nèi)部和外部的過冷度存在差異所導(dǎo)致的[10]。

圖6 電弧增材制造鋁合金單個(gè)柱狀晶粒內(nèi)微觀組織

從圖6還可看出，在枝狀晶區(qū)域內(nèi)，一次枝晶臂間距大小分布在30～60μm。而在胞狀晶區(qū)域內(nèi)，一次枝晶臂間距大小分布在30～40μm，分布更加集中。枝狀晶區(qū)的一次枝晶臂間距的不均勻同樣與熔池體積較大及熔池內(nèi)外部過冷度差異較大有關(guān)系。

3.3 拉伸性能分析

圖7所示為1#～6#試樣的拉伸性能測試結(jié)果。從圖7中可看出，6個(gè)試樣的最大抗拉強(qiáng)度分布在220～240MPa之間，屈服強(qiáng)度分布在100～120MPa之間，伸長率則分布在6%～12%之間。

圖7 電弧增材制造鋁合金拉伸性能測試結(jié)果

上述拉伸性能表明，由于電弧增材制造鋁合金過程中的氣孔缺陷，以及成形過程中鋁合金較大的熱輸入導(dǎo)致的熱應(yīng)力等原因，使電弧增材制造5087鋁合金的拉伸性能低于5系鋁合金電弧焊的性能[3，4]。從圖7還可看出，2#和3#試樣的拉伸性能明顯低于其他試樣的拉伸性能，這可能是由于工藝局部不穩(wěn)定或熔池塌陷[8，9]，導(dǎo)致這2個(gè)試樣內(nèi)部缺陷增多，進(jìn)而影響其拉伸性能。因此，進(jìn)一步提升鋁合金電弧增材制造工藝的穩(wěn)定性，并適當(dāng)采用其他改性工藝，如熱處理、熱等靜壓、表面強(qiáng)化等，從而對(duì)成形的鋁合金零件性能進(jìn)一步優(yōu)化提升[11，12]。

4 結(jié)束語

1）在CMT電弧增材制造5087鋁合金過程中，搭接和熔池的流動(dòng)是造成尺寸偏差的主要因素。但在經(jīng)歷多道多層增材后，單道沉積層的高度和寬度數(shù)值均可控制在≤0.5mm。

2）在電弧增材制造5087鋁合金晶粒形態(tài)呈現(xiàn)明顯的柱狀晶特征，在試樣水平截面，晶粒尺寸分布在10～50μm，在垂直截面，晶粒尺寸分布在50～80μm。在晶粒內(nèi)部，枝晶表現(xiàn)為樹枝狀和胞狀共存狀態(tài)。3）電弧增材制造5087鋁合金拉伸測試結(jié)果顯示，試樣最大抗拉強(qiáng)度分布在200～230MPa之間，最大屈服強(qiáng)度分布在100～120MPa之間，伸長率分布在6%～12%之間，電弧增材5087鋁合金內(nèi)部氣孔對(duì)試樣拉伸性能造成了不利影響。