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        不同工藝參數(shù)對高硬度鐵粉等離子弧增材熔覆的影響

        2020-02-06 12:51:58劉艷張林杰張建勛
        精密成形工程 2020年1期
        關(guān)鍵詞:單層等離子形貌

        劉艷,張林杰,張建勛

        (西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

        在資源節(jié)約及高效制造的導(dǎo)向下,增材制造技術(shù)已成為航空航天等高端設(shè)備制造及熔覆領(lǐng)域的重要技術(shù)手段[1—6]。電弧增材制造技術(shù)具有設(shè)備簡單、材料利用率高及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[7—8]。等離子弧增材制造是以等離子弧為熱源的一種制造方法,具有更集中的電弧及熱流,成形件致密度高、冶金結(jié)合性能好、化學(xué)成分均勻、力學(xué)性能好[9—10]。

        航空工業(yè)小型化、輕量化和多功能化的發(fā)展目標(biāo)對航空工業(yè)用鋼承載能力提出了更高的要求。隨著鋼鐵材料的研發(fā)及制造技術(shù)的提高,具有超高比強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)材料得到了廣泛應(yīng)用。超高強(qiáng)度鋼具有超乎一般的高強(qiáng)度、比強(qiáng)度和屈強(qiáng)比,已大量應(yīng)用于飛機(jī)起落架、連接件、襟翼滑軌、機(jī)翼主梁等關(guān)鍵部件,在航空工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景[11—13]。300M 超高強(qiáng)度鋼作為飛機(jī)起落架制造用材,具有高強(qiáng)度、高硬度、低導(dǎo)熱率等特性,屬于典型的航空難加工材料[14—16]。

        文中采用等離子弧增材的方法在300M 鋼表面熔覆馬氏體型高硬度粉末,首先對單道成形工藝進(jìn)行探索,研究熔覆工藝對焊道宏觀形貌、成形尺寸、稀釋率的影響,然后對多道單層工藝進(jìn)行探索,研究疊加率對熔覆件表面形貌的影響,最終確定馬氏體型高硬度粉末等離子弧熔覆低合金高強(qiáng)度鋼的熔覆工藝。

        1 試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)用的高硬度粉末成分如表1 所示,熔覆基材為淬火加二次中溫回火態(tài)的300M,名義成分如表2 所示。

        表1 高硬度不銹鋼粉末成分Tab.1 Compositions of high hardness powder

        表2 300M 基材名義成分Tab.2 Nominal compositions of 300M substrate

        試驗(yàn)用的熔覆基板大小為 70 mm×45 mm×20 mm,采用 DML-V03BD 型號(hào)的等離子焊機(jī)和YASKAWA 六軸機(jī)器人進(jìn)行熔覆,等離子氣、送粉氣和保護(hù)氣均采用高純氬氣,維弧電流為20 A,基值電流為40 A,熔覆采用直流電流,電流爬升時(shí)間為0.1 s,電流下降時(shí)間為0.5 s,等離子氣、送粉氣和保護(hù)氣流速分別為1.5,3.5,12 L/min。等離子電弧熔覆前用角磨機(jī)對基板進(jìn)行除氧化皮拋光處理,然后用丙酮清洗,熔覆的過程保證焊槍噴嘴與基板相距10 mm。單道多層的熔覆層高度為15 mm。

        熔覆件的金相試樣經(jīng)過樹脂鑲嵌和砂紙打磨、拋光后,選用10 g 無水硫酸銅+50 mL 濃鹽酸+50 mL蒸餾水的腐蝕劑溶液進(jìn)行腐蝕。微觀組織使用Nikon ECLIPSE MA200 型號(hào)的倒置金相顯微鏡和配有牛津能譜的SU3500 鎢燈絲掃描電子顯微鏡進(jìn)行檢測分析。熔覆件拉伸性能使用INSTRON 1195 電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測,拉伸速率為0.5 mm/min。拉伸試樣的尺寸如圖1,取樣方向?yàn)槿鄹驳某练e方向,試樣平行段長度為11 mm。

        圖1 拉伸試樣及尺寸規(guī)格Fig.1 Tensile test specimens and dimensions

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 單道單層熔覆工藝優(yōu)化

        2.1.1 熔覆工藝對焊道成形尺寸影響

        對影響等離子弧熔覆的主要工藝參數(shù)熔覆電流(I)、熱源移動(dòng)速度(v)和送粉速率(G)進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)(見表3),結(jié)合圖5 研究這3 個(gè)工藝參數(shù)對焊道稀釋率、寬高比及成形質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果顯示,3#試驗(yàn)樣品的稀釋率最小,寬高比最小,為此等離子弧熔覆工藝窗口內(nèi)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。I,v,G對稀釋率及寬高比的影響規(guī)律如圖2 所示,可以看到I的大小對稀釋率的影響程度最大,其次G;G對焊道寬高比影響程度最大,其次是v,電流影響程度最小。

        表3 單道單層沉積正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.3 Orthogonal test design for single pass single layer depositions

        圖2 熔覆工藝對焊道尺寸形貌特征的影響Fig.2 Effect of cladding process on weld bead size characteristics

        熔覆件稀釋率FD計(jì)算方法如下:

        式中:AP為基材熔化面積;AC為熔敷層面積;TP為熔深;Tc為熔高。焊道橫截面尺寸參數(shù)標(biāo)注如圖3 所示。

        圖3 焊道橫截面尺寸參數(shù)Fig.3 Cross sectional dimension parameter of weld pass

        2.1.2 等離子弧工藝對焊道形貌影響

        圖4 是9 組熔覆工藝下的宏觀形貌照片,其中8#和9#工藝的焊接電流較大,送粉速率較小,掃描速度較大,焊道較細(xì)且連續(xù)性不好,3#,5#,7#表面光滑平整無波紋,1#表面有部分粘粉,7#電流相對過大,焊道表面有氧化跡象。

        1#—9#熔覆工藝下的組織形貌見圖5,結(jié)果顯示在熔覆速度為20~30 cm/min、送粉速率為20~30 r/min的工藝窗口內(nèi),隨著熔覆電流的增大,熔深有所增大,7#—9#金相試樣經(jīng)過摔落后在臨近熱影響區(qū)的基材處產(chǎn)生了宏觀長裂紋,可能是線能量密度過大所導(dǎo)致,其他焊道沒有出現(xiàn)此現(xiàn)象。其中3#焊道試樣的熱影響區(qū)深度及面積最小,稀釋率(9.4%)及寬高比(2.9)最小,無生粉現(xiàn)象,熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒尺寸相對較小。

        2.2 多道單層熔覆工藝優(yōu)化

        為保證熔覆件最終形狀尺寸精度及熔覆件質(zhì)量,進(jìn)行每一層多道熔覆時(shí)調(diào)整焊道間的搭接率是十分有必要的,可以保證熔覆層的平整度。搭接率的計(jì)算方法如下:

        式中:ξ為搭接率;X為焊槍偏移量;W為焊道熔寬。如圖6 所示是等離子弧多道單層熔覆件的宏觀形貌,疊加率分別為30%,40%,50%,可以看到疊加率為40%的熔覆件表面較為平整。

        2.3 單道多層拉伸力學(xué)性能結(jié)果分析

        在300 M 基板上采用表3 的1#—7#的熔覆工藝進(jìn)行等離子弧單道多層熔覆,沿BD 方向截取制備拉伸試樣,拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示,結(jié)果顯示,3#熔覆工藝制得的單道多層抗拉強(qiáng)度最高,達(dá)到1204 MPa,斷裂位置發(fā)生在熱影響區(qū)(HAZ)。這與前期探索的單道單層的工藝結(jié)果相一致。

        圖4 單道單層焊道宏觀形貌Fig.4 Macro-morphology of weld bead

        圖5 單道單層焊道微區(qū)尺寸形貌Fig.5 Micro-zone size morphology of weld bead

        圖6 多道單層熔覆件宏觀形貌Fig.6 Macroscopic morphology of multi-pass single layer cladding

        圖7 單道多層熔覆件拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Tensile test results of single-pass multilayer cladding

        3 結(jié)語

        在300M 基材表面進(jìn)行高硬度鐵粉等離子弧熔覆工藝探索。結(jié)果表明,在熔覆電流為140~180 A、移動(dòng)速度為20~30 cm/min 和送粉速率為20~30 r/min的工藝窗口內(nèi),當(dāng)電流大小為140 A,送粉速率為30 r/min,掃描速率為30 cm/min 時(shí),單道單層焊道的稀釋率及寬高比最小,熱影響區(qū)晶粒尺寸較小,無粘粉現(xiàn)象。多道多層熔覆時(shí),為保證熔覆件最終形狀尺寸精度及熔覆件質(zhì)量,對疊加率工藝進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)疊加率為40%時(shí),熔覆層表面平整度較高。此外,在工藝窗口內(nèi),對不同參數(shù)單道多層BD方向上的拉伸性能進(jìn)行了對比分析,結(jié)果表明,電流大小為140 A,送粉速率為30 r/min,掃描速率為30 cm/min 工藝下的熔覆件抗拉強(qiáng)度最大,斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)。

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