金屬粉芯焊絲電弧增材制造的顯微組織與力學性能

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

電弧增材制造(WAAM)是一種基于弧焊工藝的3D金屬打印技術(shù)。WAAM采用傳統(tǒng)焊絲作為線材,，沉積速率高且成本低，因而適合于生產(chǎn)大型金屬部件。需要指出的是,，在一些鋼部件生產(chǎn)中,，需要根據(jù)鋼種需求生產(chǎn)單一部件，若采用商用焊絲無法滿足,。本研究通過WAAM對由金屬粉芯制成的中碳鋼（Grade XC-45,，與XC-45鍛造材料成分相似）進行了薄壁沉積。之所以選擇這種特殊成分,，是因為它對按需生產(chǎn)重載航空部件意義重大,。本研究對沉積部件的微觀結(jié)構(gòu)、硬度以及抗拉強度進行了研究,，并對試樣進行了金相研究,。由于建造過程涉及多次熱循環(huán)，因此在微觀結(jié)構(gòu)上,，可發(fā)現(xiàn)明顯局部變化,。盡管如此，從頂部到底部,，該部件硬度相對均勻,。水平方向（沉積方向）平均曲度/抗拉強度為620 MPa/817 MPa，垂直方向(構(gòu)建方向)為580 MPa/615 MPa,。兩方向延伸率差異顯著,，水平方向為6.4%，垂直方向為11%,。最后,，根據(jù)從金相研究中觀察到的凹陷結(jié)構(gòu)，本研究確定了延性破裂模式,。此外,，本研究還針對機械性能，將WAAM與鑄造,、熔鑄及冷軋工藝等進行了一個比較,。結(jié)果表明，采用研究專門設(shè)計的金屬粉芯,，能生產(chǎn)出硬度分布更均勻及抗拉強度更高的合金。

1. 引言

增材制造(AM)通過專用的3D CAD模型,，逐層沉積材料,，直接生產(chǎn)3D組件。對于幾何形狀及成分較復雜的組件,，采用傳統(tǒng)鍛造工藝難以實現(xiàn),，而AM 在這一方面則有一定優(yōu)勢。電弧增材(WAAM)是一種以電弧為熱源及熔嘴為線材的增材制造技術(shù)，可以視其為對傳統(tǒng)GMAW工藝的改進,。由于其沉積速率高,，與基于粉末的直接能量沉積(DED)技術(shù)相比，WAAM下材料利用率高,，交工時間短,，因此WAAM技術(shù)已被應用于航空、汽車和海洋領(lǐng)域,。此外,，金屬氣體弧焊(GMAW)、鎢極氣體弧焊(GTAW)和等離子弧焊(PAW)等幾種傳統(tǒng)的電弧焊技術(shù)也已被應用在了WAAM上,，由于它們的沉積特征不同,，因此應用領(lǐng)域也就有所差異。此外,，人們還發(fā)明了冷金屬過渡(CMT)和冷連軋GMAW等GMAW衍生工藝,，用于提高以為GMAW為基礎(chǔ)的WAAM工藝的沉積質(zhì)量和效率。然而,，從現(xiàn)有的這些工藝來看,，由于沉積速率更快(可達160 g/min)，GMAW成為短時間內(nèi)生產(chǎn)大型零件的理想工藝,，以及WAAM中最受歡迎的工藝,。將WAAM運用于海洋領(lǐng)域大型部件制造的一個例子是WAAMpeller，它是世界上第一個獲批的3D打印船舶螺旋槳,。

據(jù)作者所知,，WAAM工藝應用并未覆蓋至現(xiàn)今所有焊材，只有少數(shù)機構(gòu)致力于開發(fā)WAAM工藝下合金,。由于目前只有少量生產(chǎn)需要運用WAAM工藝,，因此對特殊合金的市場需求并不具備商業(yè)吸引力。只有當涉及大部件生產(chǎn)時,，涉及特定化學成分鑄造和拉制的實心焊絲工藝才具有經(jīng)濟可行性,。目前WAAM工藝應用正在逐步增長，其將促進WAAM耗材的發(fā)展,。WAAM應用通常指的是小批量生產(chǎn)或原型制造,，它們通常需要特殊的線材組合，或者通過特定耗材組合以獲得理想部件,。金屬芯焊絲特別適用于生產(chǎn)一次性或小批量的消耗性成分,。金屬芯焊絲由金屬護套和填充了各種粉末的芯線組成。同藥芯焊絲相比,，金屬芯中助焊劑數(shù)量減少,，這有利于控制焊縫金屬中雜質(zhì)的形成,。此外，金屬芯焊絲的合金成分可以得到進一步優(yōu)化,，以降低某些焊接缺陷生成率,，如裂紋和氣孔。金屬芯焊絲還適用于修復或制造化學成分與現(xiàn)有焊接消耗品不匹配的部件,。由于金屬芯具有以上靈活性,，因此其運用可以為WAAM帶來顯著好處。

金屬芯線由實心護套和粉末芯線組成(如圖1),，其硬度不如實心芯線,。在沉積過程中，金屬芯導線只通過護套傳導電流,，從而產(chǎn)生更高的電流密度,。所述護套內(nèi)的粉末被電弧熔化，從而形成朝向所述基座的粉末噴槍,。然而,，粉末噴槍中并沒有發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，因此熔化相同體積的金屬芯導線所需能量要小于實心導線,。在這種情況下,，WAAM部件熱輸入減少，有利于降低穿透,。此外,，為了獲得類似的沉積特性，如珠形,、縱橫比和沉積速度等,，金屬芯焊絲所需電流相對較低，這有利于WAAM工藝,。

圖1 比較了金屬芯焊絲與實心焊絲的截面以及在短路轉(zhuǎn)換模式下兩者的金屬能量轉(zhuǎn)移模式

在過去的二十年中,，上述金屬芯焊絲的優(yōu)點引起了眾多研究者和研究機構(gòu)的關(guān)注。研究表明,，金屬芯焊絲適用于增材制造,。然而，到目前為止,，只有少量金屬芯焊絲在WAAM中得到應用并形成了相關(guān)研究,。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料,，聚焦增材制造科研與工程應用,！

本文研究了一種基于GWAM工藝的金屬芯焊絲。之所以選擇這種特殊成分,，一方面是因為它對重載航空航天部件生產(chǎn)具有特別的意義,，另一方面是因為這種化學成分在商用焊絲中并不存在。本研究對沉積單珠壁的外觀,、微觀結(jié)構(gòu),、曲度/拉伸強度及金相組織進行了研究，為WAAM的潛在應用提供了相應依據(jù),。

2. 材料及方法
本研究使用的S355結(jié)構(gòu)鋼底板為250 × 60 × 10 mm3,。填充材料為XC-45(標準AFNOR, NF A37-502)金屬芯絲，直徑為1.2 mm,。本研究所用材料化學成分見表1,。XC-45化學成分為沉積金屬成分，由直讀光譜儀測量所得,。在沉積之前,，用丙酮((CH3)2CO)溶液清洗基面。

表1 底板及焊絲化學成分

沉積使用松下機械臂(圖2a)和由Valk焊接集成的電源進行,。采用Autodesk PowerMill為設(shè)計沉積工具路徑的軟件,。本研究實驗設(shè)置如圖2b所示，包括沉積方向,、構(gòu)建方向和夾具位置,。焊炬位置垂直于工件(PA位置)。采用如圖2c所示的沉積策略,，即反轉(zhuǎn)每層的沉積方向,，以避免啟動區(qū)和停止區(qū)之間產(chǎn)生高度差。通過提高送絲速度(4-8 m/min),，以良好的珠粒外觀和合適的寬高比為基礎(chǔ),，選擇最佳沉積條件。本研究使用的參考沉積參數(shù)如表2所示,。

實驗共沉積90層,，每層由一個珠粒組成。每層沉積后,，對壁面進行風冷,，直到頂面溫度測量達到室溫，與此同時,，保持接觸尖端到工作距離(CTWD)高1mm,。

為進行冶金和力學研究，實驗制備了沉積壁樣品,。制備截面采用2% Nital(98%乙醇和2% HNO3)刻蝕,，用于光學顯微鏡觀察(Keyence VHX-5000)。根據(jù)DIN EN 6892-1標準,，采用Instron-5550拉伸試驗機在室溫下進行測試,；根據(jù)ASTM E8M-09標準,，在垂直方向和水平方向制備拉伸試樣，如圖3所示,。此外,，使用JEOL JSM-IT100掃描電子顯微鏡(SEM)進行了斷口金相研究。相分析采用能量色散光譜(EDS),。利用JEOL FEG-SEM JSM 5600F掃描電子顯微鏡(SEM)進行了高分辨率微觀結(jié)構(gòu)特征觀察,。在壁橫截面上測量維氏硬度(HV2，2 kgf),，方向為從頂部到底部,，使用Struers durascan70機器�,？s進路徑為如圖4a所示,。

圖2 (a)機器人導線及電弧增材(WAAM)設(shè)置，(b)實驗設(shè)置,，(c)本研究沉積工具路徑

表2 研究中使用到的參考沉積基數(shù)

圖3 從樣本中提取到的拉伸試樣示意圖

圖4 采用XC-45鋼絲并經(jīng)WAAM沉積的單珠壁,，(a)主視圖，(b)側(cè)視圖,，(c)俯視圖 (根據(jù)表2列出的沉積參數(shù))

3. 結(jié)果及討論

3.1宏觀檢測
由90層組成的單層珠壁如圖4所示,。最終測量所得尺寸約長190mm，高160mm,，寬7mm,。如圖5所示，測得壁面頂部峰谷變化(表面最高點和最低點之間的距離)約為600 um,。熔池不穩(wěn)定引起熔珠形狀變化,，進而可能引起峰谷變化。根據(jù)相關(guān)研究,，較高熱輸入有助于降低表面波浪度,。因此，隨著壁的建立,，散熱條件變化會引起熔池熱輸入波動,，導致熔池不穩(wěn)定，比如振蕩,。此外,，由于在每一層沉積之后都進行了充分冷卻，熱量積累得到了控制,，因此基底和墻體都沒有發(fā)生明顯變形,。

圖5 壁面頂部區(qū)域局部截面圖 (沉積參數(shù)見表2)

3.2WAAM沉積中的微觀結(jié)構(gòu)變化
本實驗研究了WAAM沉積壁內(nèi)不同位置的微觀結(jié)構(gòu)(如圖4所示)。這些位置的代表性腐蝕截面如圖6所示,。斷面顯示為鐵素體(白色)相,、珠光體(黑色島狀)相和貝氏體(黑色束狀)相,。在壁頂部(A區(qū))發(fā)現(xiàn)了柱狀晶粒。由于在最大熱梯度中晶粒會優(yōu)先生長,，因此這些柱狀晶粒垂直于熔合線,。原奧氏體晶粒被周圍布有晶界鐵素體,。每層沉積后,，在沉積路徑中用熱電偶測量溫度，范圍從800℃到1100℃,，用熱電偶測量所得冷卻速率約為85.7°C/(800℃-1000℃) 28.5°C/s (500℃-800℃),。

利用光學顯微鏡觀察B區(qū)和C區(qū)處微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果分別如圖6b,、6C所示,。從兩張顯微圖中可以看出，微觀結(jié)構(gòu)包括鐵素體(白色)和珠光體(黑色)兩部分,�,？偟膩碚f，從壁頂?shù)奖诘�,，微觀結(jié)構(gòu)變得更加精細,。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料,，聚焦增材制造科研與工程應用,！

為了更加清晰地闡述該微觀結(jié)構(gòu)，實驗通過SEM在C區(qū)拍攝了分辨率更高的顯微圖,，如圖7所示,。結(jié)果在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一些碳化物沉淀和氧化物顆粒(圖7a中的黑點)。珠光體片層如圖7b所示,，碳化物析出物分散在鐵素體中,，如圖7c所示。如圖7b所示,，珠光體片層似乎變厚并含有邊緣部分,。這些情況表明在再加熱過程中珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛紛W氏體，在冷卻過程中又轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,。究其原因,，可能是因為富碳奧氏體具有較高的局部淬透性。此外,，實驗還發(fā)現(xiàn)D區(qū)域晶粒最細,，如圖6d所示。晶粒尺寸的減小是由材料多次熱循環(huán)引起的,。多次熱循環(huán)后,，鐵素體和珠光體細化,。這一點可以用從A區(qū)和d區(qū)實測到的原奧氏體晶粒最大寬度和長度加以佐證：晶粒的最大寬度/長度從A區(qū)37.5 um/71.5 um下降到d區(qū)5 um/15 um，從中也可以看出鐵素體的形核優(yōu)先在原柱狀奧氏體晶界處發(fā)生,。

圖6  XC-45單珠壁不同位置的微觀結(jié)構(gòu) (a) 區(qū)域A (靠近壁面),，(b)區(qū)域B (頂部區(qū)域中部)，(c)區(qū)域C (中部區(qū)域),，(d)區(qū)域D (底部區(qū)域)

圖7  C區(qū)高分辨率顯微圖,，(a)低放大倍率，(b)珠光體高放大倍率,，(c)析出相高放大倍率

3.3WAAM沉積壁硬度
沉積壁垂直方向的硬度變化如圖8a所示,。通常，沉積材料會經(jīng)歷多次熱循環(huán),，進而影響硬度,。在這種情況下，測量底部,，中間及頂部區(qū)域平均硬度,，所得數(shù)據(jù)分別為238 + 8 HV，243 + 5 HV和250 + 4 HV,。如圖6a所示,，由于存在貝氏體和Widmanstätten鐵素體等非平衡相，頂部硬度略高于底部,。測量硬度數(shù)據(jù)如圖8a所示,，中間區(qū)域的硬度變化最小，而頂部和底部區(qū)域的硬度變化較大,，這表明中間區(qū)域的力學性能更加穩(wěn)定,。

圖8  (a) XC-45管壁從下到上的硬度，(b)不同工藝所得硬度比較

影響硬度值的微觀組織因素有很多,。在本實驗中,，影響硬度的因素包括局部相成分、晶粒尺寸以及析出相的比例和尺寸,。由于暴露在高溫中,，所顯相會發(fā)生硬度變化。這是因為高溫暴露會引起回火,、恢復和再結(jié)晶,，使硬度降低，同時碳化物的析出和馬氏體轉(zhuǎn)變又會使硬度提高,。需要指出的是,，這些影響會因建造方向而異，因為它們在很大程度上取決于冷卻速度和每一層暴露在后續(xù)熱循環(huán)中的次數(shù)。因此,，我們劃分了三個不同的區(qū)域,，具體如下：

(a) 將墻的底部設(shè)為D區(qū)。該區(qū)域的冷卻速度受基座影響,。由于后續(xù)層數(shù)逐漸增加,，這些較低的區(qū)域再加熱循環(huán)次數(shù)最多。此外,，由于在底部發(fā)生了稀釋現(xiàn)象,，第一層組成略有不同。所有這些因素都有可能使得在拉伸試驗中硬度值降低及延伸率提高,。

(b) 將墻的中間部分設(shè)為C區(qū)和B區(qū),。在這些區(qū)域內(nèi)，除對流和輻射外,，所有層冷卻都類似，即由已沉積層傳導控制,。因此,，該區(qū)域的冷卻速度低于D區(qū)域且硬度相對均勻。由于中間區(qū)域也經(jīng)歷了再加熱,，因此回火效應也有助于提高力學性能,。中間區(qū)域回火效果較明顯，這是因為在冷卻過程中其不受底板影響,。

(c) 將墻的頂部設(shè)為A區(qū),，這是墻的最后沉積部分。此區(qū)域冷卻速度與前一區(qū)域(b)相同,，但導致顯著回火效果的再加熱循環(huán)次數(shù)減少了,。因此，該區(qū)域的硬度值可能會較高,。

將WAAM沉積壁的硬度與不同制造工藝的XC-45的硬度進行比較,，如圖8b所示。結(jié)果表明,，WAAM法制備所得的XC-45金屬芯焊絲硬度與其它工藝相當,。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料,，聚焦增材制造科研與工程應用,！

3.4WAAM沉積壁抗拉強度評估
圖9總結(jié)了不同方向制備所得試樣的實測曲度、抗拉強度及延伸率,。結(jié)果表明,，WAAM沉積壁內(nèi)的力學行為存在各向異性。試驗結(jié)果表明，從上往下,，曲度和最終強度均呈下降趨勢,，這與圖8a所示的硬度變化一致。

圖9 測試所得曲度,，抗拉強度及延伸率

從中還可以看出,，延伸率在在水平方向和垂直方向存在著明顯差異。柱狀原奧氏體晶界處形核的鐵素體晶粒對水平方向(沉積方向)和垂直方向(構(gòu)建方向)的強度和延伸率有不同的影響,。其他研究者也曾描述過增材制造材料性能的各向異性,。

實驗將通過WAAM工藝下XC-45金屬芯絲沉積所得平均值與傳統(tǒng)金屬加工(基于AISI 1045鋼)方法所得結(jié)果進行了比較，如圖10所示,。通過WAAM制備的曲度強度和極限強度均高于大多數(shù)常規(guī)制備方法,，但延伸率較低，這與圖8所示硬度結(jié)果相吻合,，同時也表明淬火條件下的平均硬度高于其他工藝,。為了提高XC-45 WAAM沉積材料的延性，我們考慮了額外沉積后熱處理以此獲得所需延性,。關(guān)于WAAM法下最佳XC-45熱處理,，本研究沒有涉及。

圖10 不同工藝所得抗拉強度和延伸率比較

3.5斷口金相研究
從拉伸試驗結(jié)果來看,，圖3所示的3,、6、8和11分別為頂部,、中部,、底部和垂直位置的試樣。因此,，通過SEM對3,、6、8,、11拉伸試樣的斷口金相進行觀察,，結(jié)果如圖11所示。所有檢測的拉伸試樣均表現(xiàn)為無孔易延展性斷裂,，如圖11a所示,，所有斷口表面均以凹陷為主。此外,，在凹陷處也觀察到了夾雜物,。這些部位更有可能形成裂紋。對比圖11b-e,，發(fā)現(xiàn)水平樣品(編號3,6,8)的凹陷尺寸與垂直樣品(編號11)相似,。由于微孔聚結(jié)效應，局部出現(xiàn)了較大的凹陷。粒子(A)存在于凹陷除內(nèi)部,。金屬相或氧化物的存在促進了凹陷的形成,。較小凹陷可能與晶界處生成的空洞或其它微觀結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。較大的凹陷傾向于在氧化顆粒處成核,。實驗對粒子A(圖11f)進行了能量色散x射線能譜(EDX)分析,，結(jié)果如圖11g所示�,？梢婎w粒A中以O(shè),、Fe、Mn,、Cr,、Si、S為主要元素,，可識別出非金屬夾雜物,，如MnS或oxide。

圖11 拉伸試樣的金相結(jié)構(gòu)：(a)低倍率,，(b)底部,，(c)中部，(d)頂部,，(e)垂直，(f)能量色散x射線(EDX)粒子,，(g)粒子A (at.%)的能量色散光譜(EDS)圖,。

4. 結(jié)論
本研究探究了使用XC-45金屬芯絲沉積的WAAM材料的微觀組織及力學性能。盡管材料組成具有挑戰(zhàn)性,，但由于高碳含量,，沉積壁結(jié)構(gòu)完整度及沉積時的力學性能都較好，因而對工業(yè)應用具有一定的吸引力,。通過研究可以得出以下結(jié)論：

(a) 本研究對由WAAM生產(chǎn)的XC-45零件與傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的AISI 1045零件的力學性能進行了比較,。結(jié)果表明，經(jīng)WAAM處理后的零件硬度和抗拉強度均大于或與淬火條件下的值相當,。
(b) 壁厚從底部到頂部的硬度變化在223 ~ 268 HV之間,。
(c) 研究所得抗拉強度差在建造方向和水平方向表現(xiàn)出各向異性，約為200 MPa,。WAAM制備的XC-45壁的平均垂直延伸率為11%,，高于水平方向所得的6.4%。
(d) WAAM制備的XC-45壁的斷口具有易延展性,。斷口表面存在一些夾雜物,，如MnS或氧化物等。
(e) 組織壁中存在珠光體、鐵素體,、貝氏體和馬氏體,。在熔合線附近發(fā)現(xiàn)柱狀晶粒。此外,，反復的熱循環(huán)使晶粒從上到下逐層細化,。