電弧增材成型鋁合金的組織及力學性能

作者：李玉娟,，姜易均,，姜愛龍,，陳健健，秦玉升,，孫兵
單位：濰柴動力股份有限公司
來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第5期

電弧增材制造(WAAM)是在傳統(tǒng)的焊接工藝基礎上升級而成的,，具體流程為：按照計算機上規(guī)劃好的模型堆積，將材料熔化并沉積成所需要的尺寸,，以達到生產(chǎn)需求,。冷金屬過渡焊(CMT)是一種新型焊接工藝，具有焊接過程弧長控制精確,、熱輸入量小,、飛濺少等工藝特點，適用于低熔點金屬的增材制造,。普通的CMT工藝不適合焊接厚度較大的板材,，因此在CMT基礎上開發(fā)了CMT+PADV(交流脈沖焊接模式)工藝，該工藝增大了熱輸入,，可以焊接更厚的板材,，且表面成型質(zhì)量更好。


2319鋁合金屬于2系鋁合金,，強度和硬度較高,，可進行熱處理，是良好的航空航天工業(yè)材料,。2319鋁合金與典型的航空航天用2219鋁合金相比,，化學成分相差不大,但價格較低。目前,，國內(nèi)許多學者對CMT電弧增材成型2319鋁合金的顯微組織和力學性能進行了大量的研究,，張文明等研究了送絲速率、焊接速率,、層間等待時間等因素對2319鋁合金成型組織的影響,，以獲得最佳成型參數(shù)；任惠圣等對不同熱處理工藝下,，CMT電弧增材成型2319鋁合金構(gòu)件的組織和力學性能進行了研究,，發(fā)現(xiàn)熱處理后構(gòu)件的最高抗拉強度為386.2MPa。目前,，國內(nèi)對CMT電 弧增材制造2319鋁合金彈性模量的研究較少,。

研究人員對CMT電弧增材成型2319鋁合金沉積態(tài)及熱處理態(tài)的顯微組織,、力學性能進行研究，并對不同溫度下試樣彈性模量的變化情況進行研究,，結(jié)果可為提高 CMT電弧增材成型2319鋁合金的力學性能提供理論基礎,。


1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料
采用直徑為1.2mm的ER2319鋁合金焊絲進行試驗，基板厚度為30mm,，材料為AA2219鋁合金,，試驗前用丙酮脫脂對基板進行清洗，然后拋光,。


1.2 試驗方法
1.2.1 成型工藝及熱處理

采用電弧增材成型方式制備2319鋁合金試樣(WAAM2319),，成型方式為CMT+PADV。WAAM2319試樣的宏觀形貌如圖1所示,，分為縱向試樣和橫向試樣,。

WAAM2319試樣的熱處理方法為：固溶處理，將試樣放置在馬弗爐中,，隨爐升溫至535℃,，保溫1h，從爐中取出后立即進行水淬,；人工時效,，將試樣隨爐升溫至175℃，保溫6h,，隨爐冷卻至室溫,。

1.2.2 力學性能測試

拉伸試樣的取樣位置如圖2所示，拉伸試樣的尺寸如圖3所示,。取拉伸試驗完成后的試樣進行硬度測試,，測試位置如圖4所示。拉伸試驗在萬能拉伸試驗機上進行,。采用布氏硬度計進行硬度測試,，每個試樣測3個點并取平均值。

彈性模量試樣的取樣位置如圖5所示,。使用高溫彈性模量測試儀進行測試,，測試溫度分別為室溫、100℃和150℃,，彈性模量試樣為80mm×20mm×4mm(長度×寬度×高度)的板狀試樣，每個方向測量兩個試樣,，每個試樣測量3次,，然后取平均值。

1.2.3 金相檢驗
金相試樣的取樣位置如圖4所示,，將試樣進行樹脂熱鑲后,，分別用粒度為240,，600，1200,，2000目(1目=25.4mm)的水磨砂紙在流水下進行打磨,，然后依次用粒度為9μm和3μm 的金剛石研磨膏進行粗拋光,最后用粒度小于0.05μm的硅膠懸濁液進行精拋 光，得到鏡面試樣,，用乙醇沖洗并吹干,。用光學顯微鏡對試樣進行金相檢驗。

2 試驗結(jié)果與討論
2.1 金相檢驗
沉積態(tài)試樣的顯微組織形貌如圖6所示,。由圖6可知：縱向試樣的組織出現(xiàn)分層,，形態(tài)為較大等軸枝晶、柱狀晶和細小等軸晶,；橫向試樣的組織為等軸晶,。

熱處理態(tài)試樣的顯微組織形貌如圖7所示。由圖7可知：組織中存在的枝晶及晶間,、晶內(nèi)的第二相顆粒在熱處理后基本消失,，晶粒尺寸較均勻，且較大,。

試樣中氣孔的微觀形貌如圖8所示,，可見試樣中氣孔尺寸較小，大部分氣孔的直徑小于80μm,，氣孔呈圓形,，且單獨分布。

2.2 力學性能測試

2.2.1 拉伸試驗

試樣的抗拉強度測試結(jié)果如圖9所示,，可見沉積態(tài)試樣的抗拉強度在同一方向上分布均勻,，縱向試樣的抗拉強度比橫向試樣的抗拉強度小9.3%，縱向試樣的抗拉強度存在各向異性,；熱處理態(tài)試樣的抗拉強度較沉積態(tài)試樣的抗拉強度提高了約35%,，縱向試樣的抗拉強度比橫向試樣的抗拉強度小9.7%，縱向試樣的抗拉強度存在各向異性,。

2.2.2 硬度測試
試樣的硬度測試結(jié)果如圖10所示,，可見沉積態(tài)試樣的硬度在同一方向上差距較小，且分布均勻,，縱向試樣的硬度與橫向試樣的硬度基本一致,；熱處理態(tài)試樣較沉積態(tài)試樣的硬度提高了約40%，且縱向試樣的硬度與橫向試樣的硬度基本一致,，存在較小的各向異性,。

2.2.3 彈性模量測試
熱處理態(tài)試樣的彈性模量測試結(jié)果如圖11所示，可見縱向試樣和橫向試樣的彈性模量基本一致，隨著試驗溫度的升高,，彈性模量均呈下降趨勢,。

3 綜合分析
由 金相檢驗結(jié)果可知：沉積態(tài)縱向試樣的組織出現(xiàn)分層，原因是當焊縫發(fā)生凝固時,，下一層焊縫會使已經(jīng)凝固的焊縫重新熔化,，而WAAM是層層堆積的過程，層間的熱循環(huán)比較復雜,，焊縫熔池凝固是一個典型的非平衡凝固過程,，各層間經(jīng)歷了多次重熔，散熱變慢,，且熱輸入增加,，導致液態(tài)金屬的停留時間變長，晶粒尺寸變大,，最終形成了較大等軸晶和柱狀晶,；層間重熔過程中，有小部分區(qū)域迅速冷卻,，最終形成了細小等軸晶,；增材成型過程中，橫向試樣的受熱比較均勻,，其顯微組織以等軸晶為主,。經(jīng)熱處理后，附著在晶界上的大部分共晶物顆粒發(fā)生溶解,，擴散進入鋁基體,，Cu原子在鋁基體中的極限固溶度小于合金中的Cu原子含量，有一部分 Cu原子無法溶解,，固溶處理后仍然以 Al-Cu化合物的形式存在,，因此熱處理態(tài)試樣的基體上仍均勻分布有顆粒狀第二相，顆粒狀第二相為θ(Al2Cu)相,。試樣中的氣孔大部分是氫氣孔,，還有少部分是凝固過程中，因晶間金屬補充不及時而形成的孔洞,。在電弧的高溫作用下,，絲材中殘留的水分、油脂和碳氫污染物迅速分解為氫原子并進入熔池,最終形成氣孔,，同時氫氣孔會依附在第二相顆�,；蛑�晶臂等形核質(zhì)點處，在凝固前形核并長大,。試樣中大量形狀不規(guī)則的共晶物和枝晶組織會為氣孔提供形核質(zhì)點,，促進其形核并脫離,，但是細小的枝晶會阻礙氣孔相互合并，因此試樣中氣孔的尺寸較小,。

由力學性能測試結(jié)果可知：熱處理態(tài)試樣的抗拉強度較高，原因是熱處理過程中,，形成了高溫固溶體,，在隨后的時效處理過程中，冷卻速率較快,，高溫固溶體形成了具有大量空位的Cu溶質(zhì)原子過飽和固溶體,，多余的Cu原子從晶界處析出，形成了析出強化,�,？v向試樣的力學性能存在各向異性，原因是試樣經(jīng)熱處理后,，在Cu原子的析出強化作用下,，試樣的抗拉強度升高，熱處理后縱向試樣仍然存在尺寸較大的柱狀晶,，橫向試樣為尺寸較小的等軸晶,，因此縱向試樣的抗拉強度低于橫向試樣的抗拉強度。彈性模量反映了原子間結(jié)合力的大小,，隨著試驗溫度升高,，原子間的間距增大，原子間的結(jié)合力減弱,，彈性模量降低,。


4 結(jié)論

WAAM2319沉積態(tài)和熱處理態(tài)縱向試樣的抗拉強度存在各向異性，原因是縱向試樣的組織不均勻,，存在分層現(xiàn)象,。熱處理后，試樣的抗拉強度和硬度升高,，原因是試樣經(jīng)熱處理后,，存在Cu原子的析出強化作用。熱處理后,，縱向試樣和橫向試樣的彈性模量基本一致,，隨著試驗溫度的升高，彈性模量均呈下降趨勢,。