姚祥宏,周琦,王克鴻
(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)
電弧增材制造技術(shù)[1](wire arc additive manufacture,WAAM)利用逐層堆積成形原理,基于熔化極氣體保護焊(MIG)、鎢極惰性氣體保護焊(TIG)以及等離子電弧焊等熔焊焊接方法,以電弧為熱源,通過絲材的添加,在可控自動化設(shè)備的條件下,根據(jù)三維立體模型由線-面-體逐漸成形出復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的先進新型智能制造技術(shù)。該技術(shù)具備高沉積率,取材廣泛且利用率高;整體工序少且制造周期短,成本低[2];還具有成形大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的能力。賀立華[3]基于機器人MIG焊接技術(shù)研究了不同路徑下組織的形態(tài)以及力學(xué)性能,結(jié)果表明一字路徑試樣中δ鐵素體在奧氏體基體中呈條狀分布;十字路徑試樣中δ鐵素體為骨架狀,與弓字形路徑相比,其鐵素體橫向間距更大,且生長方向發(fā)生變化;顯微硬度隨著沉積高度的增加呈下降趨勢,垂直焊縫方向的抗拉強度高于平行焊縫的抗拉強度。柏久陽[4]等人采用TIG電弧增材成形鋁合金薄壁結(jié)構(gòu),分析了其宏觀形貌和微觀組織特征,結(jié)果表明平行條紋是重疊堆積成形薄壁試結(jié)構(gòu)的典型特征,其組織特征主要是晶界錯綜復(fù)雜、晶界尺寸寬大;重疊堆積、重復(fù)受熱情況和散熱條件共同作用,形成了薄壁構(gòu)件中下部區(qū)域內(nèi)4種組織呈循環(huán)出現(xiàn)的規(guī)律。
目前國內(nèi)外增材制造技術(shù)主要采用MIG電弧、TIG電弧、等離子弧3種技術(shù),主要研究工藝參數(shù)對單道熔敷層宏觀幾何尺寸、薄壁結(jié)構(gòu)整體尺寸的影響以及結(jié)構(gòu)件的微觀組織及性能分析,其中MIG電弧增材制造技術(shù)最為常見,但國內(nèi)外較少出現(xiàn)多種絲材通過MIG電弧增材制造技術(shù)成形內(nèi)部較復(fù)雜的非均質(zhì)材料。利用兩種材料不同的力學(xué)性能,可以成形整體性能俱佳的非均質(zhì)材料。本研究以316L不銹鋼和高氮鋼為增添材料,基于雙絲PMIG電弧增材技術(shù),成形軟硬相結(jié)合的非均質(zhì)材料,同時該材料依舊保持較高抗拉強度下,沖擊韌性有較大幅度提高,同時檢測非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的硬度分布,并分析在復(fù)雜受熱作用下兩種材料微觀組織的形態(tài)。
試驗材料為直徑1.2mm自制高氮奧氏體不銹鋼焊絲,主要化學(xué)元素含量見表1;直徑為1.2mm的316L不銹鋼焊絲牌號為ER316L,主要化學(xué)元素含量見表2?;鍨?00 mm×400 mm×16 mm的304不銹鋼板材。本課題采用的設(shè)備:九軸協(xié)同雙絲PMIG焊接機器人工作站、紅外測溫儀、OLYMPUS-GX41 顯微鏡、HVS-1000Z 顯微硬度計、SHT4106 電子萬能試驗機、294/147J 夏比沖擊試驗機。
表1 自制高氮鋼焊絲質(zhì)量分數(shù) wt%
表2 316L不銹鋼焊絲質(zhì)量分數(shù) wt%
基于雙絲PMIG電弧焊接方法,其中316L不銹鋼工藝參數(shù):送絲速度為5.6 m/min,焊接速度為0.6 m/min。高氮鋼工藝參數(shù):送絲速度為5.7 m/min,焊接速度為0.6 m/min。同時將其他影響因素固定:保護氣采用97.5%Ar+2.5%O2,保護氣氣流量穩(wěn)定在18 L/min,焊絲干伸長為12 mm。如圖1所示為3種電弧增材成形的結(jié)構(gòu)材料,幾何尺寸大約為130 mm×25 mm×22 mm。圖1(a)為316L不銹鋼與高氮鋼成形的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,電弧增材成形316L不銹鋼結(jié)構(gòu)材料和高氮鋼結(jié)構(gòu)材料與非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料在性能上形成對比,如圖1(b)、圖1(c),其中紅色代表高氮鋼,藍色代表316L不銹鋼。在這3種結(jié)構(gòu)材料前部按照GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸方法》,制備非標(biāo)拉伸試樣進行檢測,在一側(cè)按照GB-T229-2007《金屬材料-夏比擺錘沖擊試驗方法》,制備標(biāo)準(zhǔn)試樣進行檢測。
圖1 3種電弧增材成形的結(jié)構(gòu)材料
如圖2所示,為多種高氮鋼與316L不銹鋼成形界面組織形態(tài),包含層與層異材界面和相鄰焊道異材界面。如圖2(a)為處于下部區(qū)域,上層高氮鋼以柱狀晶組織沿著熱流方向生長,由于熔池的形態(tài)使得界面呈弧形,其中一小部分柱狀晶交錯生長,有利于力學(xué)性能的提高。下層316L不銹鋼主要以樹枝晶生長,少量鐵素體存在于奧氏體晶界。圖2(b)為相鄰焊道異材界面,其中左側(cè)部分為高氮鋼重熔區(qū)主要以樹枝晶生長,右側(cè)316L不銹鋼同樣以樹枝晶生長。兩側(cè)組織生長方向接近于垂直角度。如圖2(c)中間層為316L不銹鋼重熔區(qū),主要是交錯生長的樹枝晶。在重熔區(qū)沉積316L不銹鋼時,主要是柱狀晶沿著熱流方向生長,與下層生長方向一致,但后沉積熔融高氮鋼時,重熔區(qū)再次受熱,導(dǎo)致樹枝晶生長方向改變。由于一部分樹枝晶生長方向與受熱方向形成角度較大,生長方向未能改變,只有一小部分樹枝晶沿?zé)崃髦行姆较蛎芗L,以致重熔區(qū)出現(xiàn)交錯生長的樹枝晶。而后沉積的高氮鋼靠近界面處以柱狀晶生長,遠離界面處以交錯生長的樹枝晶為主。
圖2 異材成形界面微觀組織
硬度測試條件為:加載0.5kg,保荷10s,壓頭正四棱錐體。對3種結(jié)構(gòu)材料的縱向方向進行硬度測試,間隔為0.8mm。
如圖3、圖4所示,高氮鋼平均硬度323HV,316L不銹鋼平均硬度204 HV。接近基板處下部硬度最大,隨著高度增加,整體硬度曲線呈現(xiàn)下降趨勢。上部結(jié)構(gòu)由于熱量累計作用、散熱困難,增材結(jié)構(gòu)內(nèi)部組織晶粒變粗,致使硬度下降,同時從硬度曲線看出,高氮鋼硬度曲線大約間隔2.5 mm處硬度出現(xiàn)一個峰值,2.5 mm恰好對應(yīng)高氮鋼增材結(jié)構(gòu)每一層的高度,316L不銹鋼硬度曲線大約間隔2 mm處硬度出現(xiàn)一個峰值,即說明這些峰值處于界面結(jié)合處。
圖3 高氮鋼結(jié)構(gòu)材料硬度分布
圖4 316L不銹鋼結(jié)構(gòu)材料硬度分布
如圖5所示,非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料平均硬度265 HV。從曲線分布可以明顯看出高氮鋼與316L不銹鋼硬度差異較大。從高氮鋼硬度分布來看,距基板距離越高,硬度呈現(xiàn)下降趨勢,而316L不銹鋼硬度值穩(wěn)定在210 HV,比圖2中316L不銹鋼平均硬度大。這是由于在316L不銹鋼與高氮鋼界面結(jié)合時,高氮鋼熔池中逸出氮元素會與316L不銹鋼進行重熔形成異材界面,而氮元素在成形界面處以固溶形式存在于奧氏體組織中,對界面起到固溶強化作用[5],所以提高了界面的硬度。反之在界面結(jié)合偏高氮鋼位置,高氮鋼硬度值有所下降,這是由于在沉積高氮鋼或者處于重熔狀態(tài)下氮元素逸出導(dǎo)致界面偏高氮鋼位置處硬度下降。
圖5 非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料硬度分布
如表3所示,高氮鋼結(jié)構(gòu)材料抗拉強度為926 MPa,斷后延伸率不高,由于高氮鋼中氮含量較高,導(dǎo)致加工硬化率[6]很高,以致屈服強度提高得很多,使高氮鋼抗拉強度大大提高,延伸率較低使得塑性較差。316L不銹鋼結(jié)構(gòu)材料抗拉強為529 MPa,斷后延伸度率較高,為28%,說明316L不銹鋼有較好的塑性和延展性。由高氮鋼和316L不銹鋼組成非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的抗拉強度為786 MPa,較316L不銹鋼有較大提高,同時延伸率增大。在拉伸過程中,抗拉強度超過529 MPa時,此時樣件延伸率未到達316L不銹鋼斷裂時的延伸率,抗拉強度超過786 MPa時,高氮鋼部分開始斷裂,瞬間316L不銹鋼也隨之?dāng)嗔眩诖诉^程中延伸率有較大提高。
表3 試樣拉伸性能
沖擊功如表4所示,分別從正面和側(cè)面對3種結(jié)構(gòu)材料進行沖擊,高氮鋼正面?zhèn)让鏇_擊功相差不大,而316L不銹鋼正面?zhèn)让鏇_擊功相差較大,為14J,同時比高氮鋼吸收沖擊功的能力強。非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的沖擊功相比于高氮鋼有很大的提高,且正面?zhèn)让嫖諞_擊功的能力較為接近,這是由于316L不銹鋼作為軟質(zhì)材料,高氮鋼作為硬質(zhì)材料,相互鑲嵌結(jié)合軟硬非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,并且存在多個異材界面,從而大大提高了吸收沖擊功的能力。
表4 沖擊試樣沖擊功
異材界面中高氮鋼以柱狀晶形態(tài)沿?zé)崃鞣较蛏L,316L不銹鋼以樹枝晶生長,在重熔區(qū)組織受到預(yù)熱和兩次受熱作用,兩次改變生長方向;非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料異材界面處,316L不銹鋼硬度值變大,高氮鋼硬度值變??;非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料保持較高抗拉強度,同時延伸率大幅增長,塑性較大提高,吸收沖擊功的能力增強。