金屬粉芯焊絲電弧增材制造的顯微組織與力學(xué)性能

來(lái)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(wú)法滿足,。本研究通過(guò)WAAM對(duì)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(jìn)行了薄壁沉積。之所以選擇這種特殊成分,，是因?yàn)樗鼘?duì)按需生產(chǎn)重載航空部件意義重大,。本研究對(duì)沉積部件的微觀結(jié)構(gòu)、硬度以及抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了研究,，并對(duì)試樣進(jìn)行了金相研究,。由于建造過(guò)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(duì)均勻,。水平方向（沉積方向）平均曲度/抗拉強(qiáng)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?yàn)?.4%,，垂直方向?yàn)?1%。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(duì)機(jī)械性能,，將WAAM與鑄造、熔鑄及冷軋工藝等進(jìn)行了一個(gè)比較,。結(jié)果表明,，采用研究專門(mén)設(shè)計(jì)的金屬粉芯，能生產(chǎn)出硬度分布更均勻及抗拉強(qiáng)度更高的合金,。

1. 引言

增材制造(AM)通過(guò)專用的3D CAD模型,，逐層沉積材料，直接生產(chǎn)3D組件,。對(duì)于幾何形狀及成分較復(fù)雜的組件,，采用傳統(tǒng)鍛造工藝難以實(shí)現(xiàn)，而AM 在這一方面則有一定優(yōu)勢(shì),。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(duì)傳統(tǒng)GMAW工藝的改進(jìn)。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(shí)間短,，因此WAAM技術(shù)已被應(yīng)用于航空,、汽車(chē)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(yīng)用在了WAAM上，由于它們的沉積特征不同,，因此應(yīng)用領(lǐng)域也就有所差異,。此外,，人們還發(fā)明了冷金屬過(guò)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(lái)看，由于沉積速率更快(可達(dá)160 g/min),，GMAW成為短時(shí)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(yùn)用于海洋領(lǐng)域大型部件制造的一個(gè)例子是WAAMpeller,，它是世界上第一個(gè)獲批的3D打印船舶螺旋槳,。

據(jù)作者所知，WAAM工藝應(yīng)用并未覆蓋至現(xiàn)今所有焊材,，只有少數(shù)機(jī)構(gòu)致力于開(kāi)發(fā)WAAM工藝下合金,。由于目前只有少量生產(chǎn)需要運(yùn)用WAAM工藝，因此對(duì)特殊合金的市場(chǎng)需求并不具備商業(yè)吸引力,。只有當(dāng)涉及大部件生產(chǎn)時(shí),，涉及特定化學(xué)成分鑄造和拉制的實(shí)心焊絲工藝才具有經(jīng)濟(jì)可行性。目前WAAM工藝應(yīng)用正在逐步增長(zhǎng),，其將促進(jìn)WAAM耗材的發(fā)展,。WAAM應(yīng)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(guò)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(hù)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(jìn)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(fù)或制造化學(xué)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(yùn)用可以為WAAM帶來(lái)顯著好處。

金屬芯線由實(shí)心護(hù)套和粉末芯線組成(如圖1),，其硬度不如實(shí)心芯線,。在沉積過(guò)程中，金屬芯導(dǎo)線只通過(guò)護(hù)套傳導(dǎo)電流,，從而產(chǎn)生更高的電流密度,。所述護(hù)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(méi)有發(fā)生能量轉(zhuǎn)移,，因此熔化相同體積的金屬芯導(dǎo)線所需能量要小于實(shí)心導(dǎo)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(duì)較低,，這有利于WAAM工藝。

圖1 比較了金屬芯焊絲與實(shí)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(guò)去的二十年中,，上述金屬芯焊絲的優(yōu)點(diǎn)引起了眾多研究者和研究機(jī)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(yīng)用并形成了相關(guān)研究,。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟,，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)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?yàn)樗鼘?duì)重載航空航天部件生產(chǎn)具有特別的意義,，另一方面是因?yàn)檫@種化學(xué)成分在商用焊絲中并不存在,。本研究對(duì)沉積單珠壁的外觀、微觀結(jié)構(gòu),、曲度/拉伸強(qiáng)度及金相組織進(jìn)行了研究,，為WAAM的潛在應(yīng)用提供了相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)AFNOR, NF A37-502)金屬芯絲,，直徑為1.2 mm。本研究所用材料化學(xué)成分見(jiàn)表1,。XC-45化學(xué)成分為沉積金屬成分,，由直讀光譜儀測(cè)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(xué)成分

沉積使用松下機(jī)械臂(圖2a)和由Valk焊接集成的電源進(jìn)行,。采用Autodesk PowerMill為設(shè)計(jì)沉積工具路徑的軟件。本研究實(shí)驗(yàn)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(dòng)區(qū)和停止區(qū)之間產(chǎn)生高度差,。通過(guò)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(shí)驗(yàn)共沉積90層，每層由一個(gè)珠粒組成,。每層沉積后,，對(duì)壁面進(jìn)行風(fēng)冷，直到頂面溫度測(cè)量達(dá)到室溫,，與此同時(shí),，保持接觸尖端到工作距離(CTWD)高1mm。

為進(jìn)行冶金和力學(xué)研究,，實(shí)驗(yàn)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(xué)顯微鏡觀察(Keyence VHX-5000),。根據(jù)DIN EN 6892-1標(biāo)準(zhǔn),，采用Instron-5550拉伸試驗(yàn)機(jī)在室溫下進(jìn)行測(cè)試；根據(jù)ASTM E8M-09標(biāo)準(zhǔn),，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(jìn)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(jìn)行了高分辨率微觀結(jié)構(gòu)特征觀察,。在壁橫截面上測(cè)量維氏硬度(HV2，2 kgf),，方向?yàn)閺捻敳康降撞�,，使用Struers durascan70機(jī)器。縮進(jìn)路徑為如圖4a所示,。

圖2 (a)機(jī)器人導(dǎo)線及電弧增材(WAAM)設(shè)置,，(b)實(shí)驗(yàn)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(cè)
由90層組成的單層珠壁如圖4所示,。最終測(cè)量所得尺寸約長(zhǎng)190mm,，高160mm，寬7mm,。如圖5所示,，測(cè)得壁面頂部峰谷變化(表面最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的距離)約為600 um。熔池不穩(wěn)定引起熔珠形狀變化,，進(jìn)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(huì)引起熔池?zé)彷斎氩▌?dòng),，導(dǎo)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(jìn)行了充分冷卻,，熱量積累得到了控制，因此基底和墻體都沒(méi)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(jiàn)表2)

3.2WAAM沉積中的微觀結(jié)構(gòu)變化
本實(shí)驗(yàn)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(huì)優(yōu)先生長(zhǎng),，因此這些柱狀晶粒垂直于熔合線,。原奧氏體晶粒被周?chē)�布有晶界鐵素體。每層沉積后,，在沉積路徑中用熱電偶測(cè)量溫度,，范圍從800℃到1100℃，用熱電偶測(cè)量所得冷卻速率約為85.7°C/(800℃-1000℃) 28.5°C/s (500℃-800℃),。

利用光學(xué)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,。總的來(lái)說(shuō),，從壁頂?shù)奖诘�,，微觀結(jié)構(gòu)變得更加精細(xì)。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟,，免費(fèi)獲取海量增材資料,，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用！

為了更加清晰地闡述該微觀結(jié)構(gòu),，實(shí)驗(yàn)通過(guò)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(diǎn)),。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(guò)程中珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛紛W氏體,，在冷卻過(guò)程中又轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,。究其原因，可能是因?yàn)楦惶紛W氏體具有較高的局部淬透性,。此外,，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)D區(qū)域晶粒最細(xì)，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(xì)化,。這一點(diǎn)可以用從A區(qū)和d區(qū)實(shí)測(cè)到的原奧氏體晶粒最大寬度和長(zhǎng)度加以佐證：晶粒的最大寬度/長(zhǎng)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?yuàn)W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(huì)經(jīng)歷多次熱循環(huán)，進(jìn)而影響硬度,。在這種情況下,，測(cè)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(cè)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(xué)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(shí)驗(yàn)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(huì)發(fā)生硬度變化,。這是因?yàn)楦邷乇┞稌?huì)引起回火、恢復(fù)和再結(jié)晶,，使硬度降低,，同時(shí)碳化物的析出和馬氏體轉(zhuǎn)變又會(huì)使硬度提高。需要指出的是,，這些影響會(huì)因建造方向而異,，因?yàn)樗鼈冊(cè)诤艽蟪潭壬先�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(gè)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(yàn)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(duì)流和輻射外，所有層冷卻都類似,，即由已沉積層傳導(dǎo)控制,。因此，該區(qū)域的冷卻速度低于D區(qū)域且硬度相對(duì)均勻,。由于中間區(qū)域也經(jīng)歷了再加熱,，因此回火效應(yīng)也有助于提高力學(xué)性能。中間區(qū)域回火效果較明顯,，這是因?yàn)樵诶鋮s過(guò)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(dǎo)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(huì)較高,。

將WAAM沉積壁的硬度與不同制造工藝的XC-45的硬度進(jìn)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(dāng)。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟,，免費(fèi)獲取海量增材資料,，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用！

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

圖9 測(cè)試所得曲度，抗拉強(qiáng)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(duì)水平方向(沉積方向)和垂直方向(構(gòu)建方向)的強(qiáng)度和延伸率有不同的影響。其他研究者也曾描述過(guò)增材制造材料性能的各向異性,。

實(shí)驗(yàn)將通過(guò)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(jìn)行了比較,，如圖10所示。通過(guò)WAAM制備的曲度強(qiáng)度和極限強(qiáng)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(shí)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(méi)有涉及,。

圖10 不同工藝所得抗拉強(qiáng)度和延伸率比較

3.5斷口金相研究
從拉伸試驗(yàn)結(jié)果來(lái)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(guò)SEM對(duì)3,、6,、8、11拉伸試樣的斷口金相進(jìn)行觀察,，結(jié)果如圖11所示,。所有檢測(cè)的拉伸試樣均表現(xiàn)為無(wú)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(duì)比圖11b-e，發(fā)現(xiàn)水平樣品(編號(hào)3,6,8)的凹陷尺寸與垂直樣品(編號(hào)11)相似,。由于微孔聚結(jié)效應(yīng),，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(jìn)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(shí)驗(yàn)對(duì)粒子A(圖11f)進(jìn)行了能量色散x射線能譜(EDX)分析,，結(jié)果如圖11g所示�,？梢�(jiàn)顆粒A中以O(shè),、Fe、Mn,、Cr,、Si,、S為主要元素，可識(shí)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(xué)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(shí)的力學(xué)性能都較好,，因而對(duì)工業(yè)應(yīng)用具有一定的吸引力,。通過(guò)研究可以得出以下結(jié)論：

(a) 本研究對(duì)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(xué)性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,，經(jīng)WAAM處理后的零件硬度和抗拉強(qiáng)度均大于或與淬火條件下的值相當(dāng),。
(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(qiáng)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(fù)的熱循環(huán)使晶粒從上到下逐層細(xì)化,。