电弧增材成形非均质结构材料的组织与性能

时间：2024-07-28

姚祥宏，周琦，王克鸿

(南京理工大学材料科学与工程学院，江苏南京 210094)

0 引言

电弧增材制造技术[1](wire arc additive manufacture，WAAM)利用逐层堆积成形原理，基于熔化极气体保护焊(MIG)、钨极惰性气体保护焊(TIG)以及等离子电弧焊等熔焊焊接方法，以电弧为热源，通过丝材的添加，在可控自动化设备的条件下，根据三维立体模型由线-面-体逐渐成形出复杂结构件的先进新型智能制造技术。该技术具备高沉积率，取材广泛且利用率高；整体工序少且制造周期短，成本低[2]；还具有成形大尺寸复杂构件的能力。贺立华[3]基于机器人MIG焊接技术研究了不同路径下组织的形态以及力学性能，结果表明一字路径试样中δ铁素体在奥氏体基体中呈条状分布；十字路径试样中δ铁素体为骨架状，与弓字形路径相比，其铁素体横向间距更大，且生长方向发生变化；显微硬度随着沉积高度的增加呈下降趋势，垂直焊缝方向的抗拉强度高于平行焊缝的抗拉强度。柏久阳[4]等人采用TIG电弧增材成形铝合金薄壁结构，分析了其宏观形貌和微观组织特征，结果表明平行条纹是重叠堆积成形薄壁试结构的典型特征，其组织特征主要是晶界错综复杂、晶界尺寸宽大；重叠堆积、重复受热情况和散热条件共同作用，形成了薄壁构件中下部区域内4种组织呈循环出现的规律。

目前国内外增材制造技术主要采用MIG电弧、TIG电弧、等离子弧3种技术，主要研究工艺参数对单道熔敷层宏观几何尺寸、薄壁结构整体尺寸的影响以及结构件的微观组织及性能分析，其中MIG电弧增材制造技术最为常见，但国内外较少出现多种丝材通过MIG电弧增材制造技术成形内部较复杂的非均质材料。利用两种材料不同的力学性能，可以成形整体性能俱佳的非均质材料。本研究以316L不锈钢和高氮钢为增添材料，基于双丝PMIG电弧增材技术，成形软硬相结合的非均质材料，同时该材料依旧保持较高抗拉强度下，冲击韧性有较大幅度提高，同时检测非均质结构材料的硬度分布，并分析在复杂受热作用下两种材料微观组织的形态。

1 试验条件

1.1 试验材料及设备

试验材料为直径1.2mm自制高氮奥氏体不锈钢焊丝，主要化学元素含量见表1；直径为1.2mm的316L不锈钢焊丝牌号为ER316L，主要化学元素含量见表2。基板为400 mm×400 mm×16 mm的304不锈钢板材。本课题采用的设备：九轴协同双丝PMIG焊接机器人工作站、红外测温仪、OLYMPUS-GX41 显微镜、HVS-1000Z 显微硬度计、SHT4106 电子万能试验机、294/147J 夏比冲击试验机。

表1 自制高氮钢焊丝质量分数 wt%

表2 316L不锈钢焊丝质量分数 wt%

1.2 试验方法

基于双丝PMIG电弧焊接方法，其中316L不锈钢工艺参数：送丝速度为5.6 m/min，焊接速度为0.6 m/min。高氮钢工艺参数：送丝速度为5.7 m/min，焊接速度为0.6 m/min。同时将其他影响因素固定：保护气采用97.5%Ar+2.5%O2，保护气气流量稳定在18 L/min，焊丝干伸长为12 mm。如图1所示为3种电弧增材成形的结构材料，几何尺寸大约为130 mm×25 mm×22 mm。图1(a)为316L不锈钢与高氮钢成形的非均质结构材料，电弧增材成形316L不锈钢结构材料和高氮钢结构材料与非均质结构材料在性能上形成对比，如图1(b)、图1(c)，其中红色代表高氮钢，蓝色代表316L不锈钢。在这3种结构材料前部按照GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸方法》，制备非标拉伸试样进行检测，在一侧按照GB-T229-2007《金属材料-夏比摆锤冲击试验方法》，制备标准试样进行检测。

图1 3种电弧增材成形的结构材料

2 试验结果及分析

2.1 非均质结构材料的微观组织

如图2所示，为多种高氮钢与316L不锈钢成形界面组织形态，包含层与层异材界面和相邻焊道异材界面。如图2(a)为处于下部区域，上层高氮钢以柱状晶组织沿着热流方向生长，由于熔池的形态使得界面呈弧形，其中一小部分柱状晶交错生长，有利于力学性能的提高。下层316L不锈钢主要以树枝晶生长，少量铁素体存在于奥氏体晶界。图2(b)为相邻焊道异材界面，其中左侧部分为高氮钢重熔区主要以树枝晶生长，右侧316L不锈钢同样以树枝晶生长。两侧组织生长方向接近于垂直角度。如图2(c)中间层为316L不锈钢重熔区，主要是交错生长的树枝晶。在重熔区沉积316L不锈钢时，主要是柱状晶沿着热流方向生长，与下层生长方向一致，但后沉积熔融高氮钢时，重熔区再次受热，导致树枝晶生长方向改变。由于一部分树枝晶生长方向与受热方向形成角度较大，生长方向未能改变，只有一小部分树枝晶沿热流中心方向密集生长，以致重熔区出现交错生长的树枝晶。而后沉积的高氮钢靠近界面处以柱状晶生长，远离界面处以交错生长的树枝晶为主。

图2 异材成形界面微观组织

2.2 硬度分布结果

硬度测试条件为：加载0.5kg，保荷10s，压头正四棱锥体。对3种结构材料的纵向方向进行硬度测试，间隔为0.8mm。

如图3、图4所示，高氮钢平均硬度323HV，316L不锈钢平均硬度204 HV。接近基板处下部硬度最大，随着高度增加，整体硬度曲线呈现下降趋势。上部结构由于热量累计作用、散热困难，增材结构内部组织晶粒变粗，致使硬度下降，同时从硬度曲线看出，高氮钢硬度曲线大约间隔2.5 mm处硬度出现一个峰值，2.5 mm恰好对应高氮钢增材结构每一层的高度，316L不锈钢硬度曲线大约间隔2 mm处硬度出现一个峰值，即说明这些峰值处于界面结合处。

图3 高氮钢结构材料硬度分布

图4 316L不锈钢结构材料硬度分布

如图5所示，非均质结构材料平均硬度265 HV。从曲线分布可以明显看出高氮钢与316L不锈钢硬度差异较大。从高氮钢硬度分布来看，距基板距离越高，硬度呈现下降趋势，而316L不锈钢硬度值稳定在210 HV，比图2中316L不锈钢平均硬度大。这是由于在316L不锈钢与高氮钢界面结合时，高氮钢熔池中逸出氮元素会与316L不锈钢进行重熔形成异材界面，而氮元素在成形界面处以固溶形式存在于奥氏体组织中，对界面起到固溶强化作用[5]，所以提高了界面的硬度。反之在界面结合偏高氮钢位置，高氮钢硬度值有所下降，这是由于在沉积高氮钢或者处于重熔状态下氮元素逸出导致界面偏高氮钢位置处硬度下降。

图5 非均质结构材料硬度分布

2.3 拉伸试验结果

如表3所示，高氮钢结构材料抗拉强度为926 MPa，断后延伸率不高，由于高氮钢中氮含量较高，导致加工硬化率[6]很高，以致屈服强度提高得很多，使高氮钢抗拉强度大大提高，延伸率较低使得塑性较差。316L不锈钢结构材料抗拉强为529 MPa，断后延伸度率较高，为28%，说明316L不锈钢有较好的塑性和延展性。由高氮钢和316L不锈钢组成非均质结构材料的抗拉强度为786 MPa，较316L不锈钢有较大提高，同时延伸率增大。在拉伸过程中，抗拉强度超过529 MPa时，此时样件延伸率未到达316L不锈钢断裂时的延伸率，抗拉强度超过786 MPa时，高氮钢部分开始断裂，瞬间316L不锈钢也随之断裂，在此过程中延伸率有较大提高。

表3 试样拉伸性能

2.4 冲击韧性试验结果

冲击功如表4所示，分别从正面和侧面对3种结构材料进行冲击，高氮钢正面侧面冲击功相差不大，而316L不锈钢正面侧面冲击功相差较大，为14J，同时比高氮钢吸收冲击功的能力强。非均质结构材料的冲击功相比于高氮钢有很大的提高，且正面侧面吸收冲击功的能力较为接近，这是由于316L不锈钢作为软质材料，高氮钢作为硬质材料，相互镶嵌结合软硬非均质结构材料，并且存在多个异材界面，从而大大提高了吸收冲击功的能力。

表4 冲击试样冲击功