堆覆速度對(duì)等離子弧雙填絲增材制造碳鋼堆覆層組織和性能的影響

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(南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210094)

0 引 言

增材制造技術(shù)是新興起的一種高效節(jié)能的制造技術(shù)，其原理是將原材料按照預(yù)設(shè)軌跡逐層累加，直至形成實(shí)體零件，具有工序少的優(yōu)點(diǎn)[1]。增材制造所用原材料有粉末和絲材等2種，與粉末增材制造技術(shù)相比，絲材增材制造技術(shù)可以降低材料成本，減小氧化物污染的可能性[2-3]。增材制造所用熱源主要有激光、電子束和電弧等3類，與激光和電子束相比，以電弧為熱源進(jìn)行增材制造的成本低、效率高、適合于制造大型構(gòu)件[4]。

與電弧單填絲增材制造相比，電弧雙填絲增材制造工藝的沉積速率可以提高到2倍以上，輸入到基體金屬的熱量較少，同時(shí)熔化深度以及熔敷金屬的稀釋率更小[5-6]。等離子弧是一種能量密度較高的電弧，等離子弧雙填絲增材制造工藝可以實(shí)現(xiàn)快速增材制造，顯著提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本[7]。與電流、電壓等工藝參數(shù)相比，堆覆速度對(duì)增材制造構(gòu)件冷卻速率的影響最為顯著；而冷卻速率的提高能夠有效改善增材制造構(gòu)件的性能。

與傳統(tǒng)的鑄鋼相比，碳鋼的組織更細(xì)密、性能更好，對(duì)碳鋼進(jìn)行等離子弧增材制造能夠有效提高成形精度。為此，作者以H08Mn2Si低合金碳鋼焊絲為絲材，采用等離子弧雙填絲增材制造工藝在Q235鋼板上制備碳鋼堆覆層，研究了堆覆速度對(duì)堆覆層宏觀尺寸、顯微組織和力學(xué)性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用絲材為H08Mn2Si低合金碳鋼焊絲，直徑為1.0 mm；基板為Q235鋼板，尺寸為200 mm×200 mm×10 mm。H08Mn2Si焊絲和Q235鋼板的化學(xué)成分如表1所示。

表1 H08Mn2Si焊絲和Q235鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of H08Mn2Si welding wire and Q235 steel plate (mass) %

采用自行設(shè)計(jì)的機(jī)器人等離子弧雙填絲增材制造系統(tǒng)進(jìn)行增材制造試驗(yàn)，該系統(tǒng)主要由安川MOTOMANMH6弧焊機(jī)器人、福尼斯Magicwave 3000焊接電源、等離子焊槍、傾翻旋轉(zhuǎn)式變位機(jī)以及自行設(shè)計(jì)的等離子控制器和雙送絲機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。雙送絲機(jī)構(gòu)由機(jī)器人通過(guò)通訊模塊實(shí)現(xiàn)二路的同步協(xié)調(diào)控制，送絲速度可以單獨(dú)調(diào)節(jié)。

圖1 等離子弧雙填絲增材制造系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of double-wire and plasma arc additive manufacturing system

用砂輪機(jī)打磨基板表面去除表面氧化膜，用丙酮清洗去除有機(jī)物，使用機(jī)器人等離子弧雙填絲增材制造系統(tǒng)，應(yīng)用往復(fù)堆覆方法在基板上進(jìn)行絲材的單道多層堆覆，鎢極直徑為4.8 mm，噴嘴孔徑為3.2 mm，噴嘴與堆覆層之間的夾角為20°，離子氣和保護(hù)氣均為純氬氣(純度為99.99%)，流量分別為0.8，18 L·min-1，噴嘴到工件的距離為6 mm，堆覆長(zhǎng)度為190 mm，堆覆層數(shù)為40 層，具體工藝參數(shù)如表2所示。

用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)堆覆層的寬度和高度。采用線切割在堆覆層上縱向截取金相試樣，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕60 s后，在OLYMPUS(GX71)型光學(xué)顯微鏡上觀察試樣中部的顯微組織。在堆覆層上橫向、縱向各截取3個(gè)拉伸試樣，試樣長(zhǎng)40 mm，標(biāo)距為20 mm，在AGS-X10KN型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2 mm·min-1。使用FEI Quanta 260 F型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。使用HVS1000-Z型顯微硬度計(jì)測(cè)截面硬度，載荷為4.903 N，保載時(shí)間為10 s，由基板向堆覆層每隔0.5 mm取點(diǎn)測(cè)試，基板上取4～5個(gè)點(diǎn)。

表2 等離子弧雙填絲增材制造工藝參數(shù)Table 2 Process parameters for double-wire and plasma arc additive manufacturing

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 外觀形貌和宏觀尺寸

由圖2可以看出：在3種堆覆速度下，堆覆層的表面成形良好，無(wú)明顯焊接缺陷；隨著堆覆速度的增加，堆覆層表面的成形質(zhì)量變好，層間紋路變清晰，分層變明確。

圖2 不同堆覆速度下堆覆層的外觀Fig.2 Appearance of stacking layer at different deposition speeds

由圖3可以看出，當(dāng)堆覆速度由20 cm·min-1增至40 cm·min-1時(shí),堆覆層的平均高度從66.57 mm減小到46.47 mm，平均寬度由7.6 mm減小到5.1 mm。這是由于堆覆速度的升高使單位時(shí)間單位長(zhǎng)度上的堆覆量減少而造成的。

2.2 顯微組織

由圖4可以看出:在3種堆覆速度下堆覆層的顯微組織均由塊狀鐵素體和少量珠光體組成，珠光體呈帶狀分布在鐵素體晶界上；當(dāng)堆覆速度為20，30，40 cm·min-1時(shí)，鐵素體晶粒的平均直徑分別為28.97，23.86，17.35 μm，晶粒明顯細(xì)化；此外，隨著堆覆速度的增大，珠光體含量明顯增加，組織均勻性變好。隨著堆覆速度的增大，熱輸入減小，使得熔池由寬短橢圓形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)窄近橢圓形態(tài)，增大了熔池與環(huán)境的熱交換面積，提高了冷卻速率，因此堆覆速度較大堆覆層的組織更加細(xì)小，珠光體含量更高。

圖3 堆覆層的尺寸隨堆覆速度的變化曲線Fig.3 Size vs deposition speed curves of stacking layer

圖5 不同拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨堆覆速度的變化曲線Fig.5 Curves of tensile strength (a) and elongation (b) vs deposition speed of different tensile specimens

2.3 拉伸性能

由圖5可以看出：隨著堆覆速度的增大，堆覆層縱向和橫向的抗拉強(qiáng)度均明顯增大，且橫向抗拉強(qiáng)度高于縱向的；隨著堆覆速度的增大，縱向和橫向的伸長(zhǎng)率均有所下降，但降低幅度較小，不超過(guò)2.5個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)合圖4分析可知，隨堆覆速度的增大，堆覆層的晶粒尺寸變小、珠光體含量增加，使得抗拉強(qiáng)度得到明顯提高。

由圖6可以看出：不同堆覆速度下堆覆層的拉伸斷口均呈纖維狀，且存在大量的韌窩，說(shuō)明試樣均為韌性斷裂；不同堆覆速度下，堆覆層拉伸斷口上韌窩的數(shù)量差異不明顯。

圖6 不同堆覆速度下堆覆層的拉伸斷口形貌Fig.6 Tensile fracture morphology of stacking samples at different deposition speeds

2.4 硬 度

由圖7可以看出，不同堆覆速度下堆覆層的底部和頂端的硬度波動(dòng)較大，中間段的硬度相對(duì)穩(wěn)定、波動(dòng)較小，且底部和頂端的硬度大于中間段的。在基板表面逐層向上堆覆時(shí)，初始幾層(底部)的散熱較快，使得晶粒細(xì)化，硬度較中間段的高；隨著堆覆層數(shù)的增加，已堆覆層的殘余熱量以及后續(xù)堆覆時(shí)輸入的熱量導(dǎo)致中間層的散熱較慢，因此堆覆層中間段的晶粒逐漸長(zhǎng)大形成粗晶區(qū)，顯微硬度相對(duì)穩(wěn)定；堆覆臨近結(jié)束前，堆覆層的循環(huán)加熱次數(shù)減少，散熱較快，組織發(fā)生細(xì)化導(dǎo)致硬度增高。在實(shí)際生產(chǎn)制造時(shí)主要應(yīng)用的是穩(wěn)定的中間段區(qū)域，因此將中間段作為主要研究對(duì)象。當(dāng)堆覆速度分別為20，30，40 cm·min-1時(shí)，堆覆層中間段的平均硬度分別為157.01，171.46，175.30 HV，硬度隨堆覆速度的增加而增大。

圖7 不同堆覆速度下堆覆層的截面硬度分布Fig.7 Microhardness distribution on cross section of stacking layer at different deposition speeds

3 結(jié) 論

(1) 等離子弧雙填絲增材制造堆覆層表面的成形質(zhì)量良好，且當(dāng)堆覆速度從20 cm·min-1升高到40 cm·min-1時(shí)，堆覆層的表面成形質(zhì)量逐漸變好，層間紋路變清晰，分層變明確，堆覆層的平均高度從66.57 mm減小到46.47 mm，平均寬度由7.6 mm減小到5.1 mm。

(2) 堆覆速度越高，等離子弧雙填絲增材制造堆覆層中的鐵素體晶粒越細(xì)小，珠光體含量越多，組織均勻性越好。

(3) 隨堆覆速度的增大，堆覆層在縱向和橫向的抗拉強(qiáng)度均增大，伸長(zhǎng)率略有降低；拉伸斷口均呈纖維狀，存在大量韌窩，均發(fā)生了韌性斷裂。

(4) 隨堆覆速度的增大，堆覆層內(nèi)部的平均顯微硬度增大。