韓慶璘 高 佳 李鑫磊 張廣軍

哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實驗室，哈爾濱，150001

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對制造業(yè)產(chǎn)品的要求越來越高。一個零件往往需要同時具備強(qiáng)韌、耐磨、輕質(zhì)等多種特征，才能夠適應(yīng)復(fù)雜且苛刻的服役環(huán)境[1]。然而，傳統(tǒng)材料的性能一般只在某些方面表現(xiàn)突出，而在其他方面欠佳，由單種材料制成的均質(zhì)零件已經(jīng)無法滿足科技發(fā)展的要求[2]。異質(zhì)材料零件為解決上述問題提供了契機(jī)，這種零件由兩種或多種材料組合而成，通過合理的材料布局，實現(xiàn)各組分性能互補(bǔ)，充分發(fā)揮各個材料的優(yōu)勢，克服單一材料的性能短板，使零件獲得優(yōu)良的綜合性能[3]。因此異質(zhì)材料零件有著廣闊的發(fā)展前景。

金屬異質(zhì)材料零件制造是目前的研究熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的制造方法包括化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法、自蔓延高溫合成法、粉末冶金法、電沉積法等[4]。然而，上述方法只能制造異質(zhì)涂層或者小尺寸、簡單結(jié)構(gòu)的塊體，并且材料布局方式受限。增材制造技術(shù)的發(fā)展為異質(zhì)材料零件的制造提供了有效的途徑：按照自下而上逐層熔敷的方法，在預(yù)設(shè)的位置堆積對應(yīng)的材料，即可實現(xiàn)異質(zhì)材料零件的成形，并且能夠保證零件的材料布局與預(yù)設(shè)準(zhǔn)確吻合。然而，采用常規(guī)的增材制造方法制造金屬異質(zhì)材料零件只能通過暫停熔敷、更換絲材/粉材的途徑調(diào)節(jié)熔敷金屬成分[5]，這不僅影響了熔敷過程的連續(xù)性，而且在異質(zhì)材料界面結(jié)合處存在成分、組織、性能的突變，導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對零件性能不利。

研究人員對傳統(tǒng)的增材制造系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并提出了多種更加有效的異質(zhì)材料零件增材制造方法。其中基于雙送粉通道的激光增材制造方法已得到了廣泛的應(yīng)用[6]。該方法通過改變兩種粉末的輸送流量來調(diào)節(jié)熔敷金屬的成分，能夠保證熔敷過程連續(xù)進(jìn)行，并且可以在兩種材料之間設(shè)置成分過渡層，避免成分突變，但是熔敷效率較低，一般不超過0.5 kg/h，難以勝任中大型零件的加工。與之相比，異質(zhì)雙絲電弧增材制造方法具有設(shè)備成本低、熔敷效率高、熔敷金屬致密度高等優(yōu)勢，通過調(diào)整雙絲的送絲速度比即可實現(xiàn)熔敷金屬成分的連續(xù)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)金屬異質(zhì)材料零件的制造。SHEN等[7]、DONG等[8]采用異質(zhì)雙絲鎢極氬弧增材制造方法堆積了鋁/鋼、鋁/銅異質(zhì)材料單墻體結(jié)構(gòu)，并分析了其組織性能的空間分布情況，然而，鎢極氬弧在大電流下電弧壓力過高，熔敷道易產(chǎn)生駝峰、咬邊等缺陷[9]，因此只能采用小電流、低送絲速度的規(guī)范參數(shù)，熔敷效率不超過1 kg/h。SOMASHEKARA等[10]采用Tandem異質(zhì)雙絲熔化極電弧增材制造方法調(diào)控熔敷道成分，該方法雖然熔敷效率高，但是熔敷電流隨送絲速度的調(diào)整而改變，導(dǎo)致電弧形態(tài)與熔敷道成形尺寸變化，影響熔敷過程的穩(wěn)定性。

本文提出了一種高效、穩(wěn)定的異質(zhì)輔助填絲熔化極電弧增材制造方法，以低碳鋼焊絲、高強(qiáng)鋼焊絲為材料組元，開展熔敷金屬成分調(diào)節(jié)的研究，分析成分、組織、性能之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上設(shè)計并進(jìn)行了低碳鋼/高強(qiáng)鋼異質(zhì)材料零件的成形試驗，來驗證本文方法和結(jié)果的有效性。

1 試驗方法與材料

輔助填絲熔化極電弧增材制造原理如圖1所示，在常規(guī)的熔化極電弧增材制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)一個旁軸填絲裝置，向熔池中輸送第二根焊絲，即輔助焊絲，其送絲速度可獨(dú)立調(diào)節(jié)[11]。在熔敷過程中，輔助焊絲通過吸收熔化極電弧與熔池的余熱而熔化，以液橋過渡的方式填入熔池。熔敷金屬由熔化極焊絲與輔助焊絲共同熔合而成，若輔助焊絲與熔化極焊絲成分相異，則調(diào)整兩根焊絲的送絲速度比即可改變二者在熔敷金屬中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即實現(xiàn)熔敷金屬成分的連續(xù)調(diào)節(jié)。

圖1 輔助填絲熔化極電弧增材制造原理[11]

采用10 mm厚的Q235鋼板作為基板，直徑1.2 mm的低碳鋼H08Mn2Si焊絲以及低合金高強(qiáng)鋼H06MnNi3CrMoA焊絲作為填充材料，基板與絲材的化學(xué)成分如表1所示。保護(hù)氣采用95%Ar+5%CO2(體積分?jǐn)?shù))的混合氣，流量為18 L/min。焊槍噴嘴到工件表面距離為15 mm，輔助焊絲從熔池前沿送入，其軸線與水平面夾角為30°。

表1 基板與絲材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

前期工藝試驗研究表明，輔助填絲熔化極電弧增材制造在100～180 A熔敷電流下成形良好，該窗口內(nèi)熔敷道寬度范圍為4.7～9.8 mm，熔敷道高度范圍為2.5～4.9 mm[11]。本試驗采用的熔敷規(guī)范參數(shù)如下：熔敷電流180 A(對應(yīng)熔化極焊絲送絲速度5 m/min)，電弧電壓23 V，行走速度5 mm/s。該規(guī)范參數(shù)下輔助焊絲的送絲速度最高能達(dá)到4 m/min，低于熔化極焊絲的送絲速度，因此，需要將成分更接近于所需熔敷金屬的焊絲作為熔化極焊絲，另一種焊絲作為輔助焊絲。熔敷過程中，層間溫度為40 ℃，各個熔敷道的堆積方向相同。根據(jù)表2所示的方案，在基板上堆積6組成分各異的多層單道均質(zhì)結(jié)構(gòu)試件，每種成分堆積2個試件。熔敷完成后，用線切割從各個試件上切取1個金相試樣以及2個拉伸試樣，取樣位置如圖2所示。對于金相試樣，首先通過掃描電鏡在每個試樣的中層區(qū)域取3個位置進(jìn)行面掃描，以同一組內(nèi)2個試樣的6個測量結(jié)果的平均值作為該組熔敷金屬的化學(xué)成分。再采用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精腐蝕金相試樣，利用光學(xué)顯微鏡觀察各試樣中層區(qū)域的金相組織，最后通過顯微硬度計測試熔敷金屬中心線上的硬度分布。各組試驗下的4個拉伸試樣均以1.5 mm/min的加載速度進(jìn)行拉伸測試，得到熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度，試樣斷裂后通過掃描電鏡分析拉伸斷口。

表2 試驗方案

圖2 試樣切取位置

2 結(jié)果與討論

圖3、圖4分別為表2中2號試驗所堆積的成形試件的外觀及其橫截面宏觀金相，可以看出，采用異質(zhì)輔助填絲熔化極電弧增材制造方法能夠制得成形良好、尺寸均勻的多層單道成形件，且各個熔敷層熔合良好，未見氣孔、裂紋等成形缺陷。該工藝條件下熔敷道寬度約為8.9 mm，熔敷道高度范圍為2.9～4.0 mm。

圖3 多層單道試件的成形外觀

圖4 多層單道試件的宏觀金相

掃描電鏡能譜分析結(jié)果如圖5所示，可以看出，隨著高強(qiáng)鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)wH的增大，熔敷金屬中Ni、Cr、V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.7%附近波動，無明顯變化趨勢，與預(yù)期相符。Ni元素是該高強(qiáng)鋼中質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的合金元素，根據(jù)表1計算出各個試樣中Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的理論值與能譜的測量值對比，結(jié)果如圖6所示，二者吻合較好，說明異質(zhì)輔助填絲熔化極電弧增材制造方法能夠較準(zhǔn)確地獲得所需的熔敷金屬成分。

圖5 高強(qiáng)鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)對熔敷金屬成分的影響

圖6 Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)理論值與測量值對比

各個試件中層區(qū)域的熔敷金屬金相組織如圖7所示。低碳鋼焊絲的熔敷金屬為鐵素體組織，而高強(qiáng)鋼焊絲的熔敷金屬呈粒狀貝氏體+針狀鐵素體+回火索氏體組織。這是因為高強(qiáng)鋼焊絲中的碳化物形成元素Cr、Mo、V阻礙了碳化物從奧氏體中析出，使C曲線右移，并且分離了珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)與貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，使熔敷金屬發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)換。同時，Ni元素能夠擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，與Mo元素聯(lián)合作用，有效抑制了晶界鐵素體的生成，促使針狀鐵素體在晶內(nèi)析出[12]。電弧增材制造過程伴隨著多重加熱，后一層的熔敷過程對前一層的熔敷金屬產(chǎn)生了后熱作用，使之高溫回火而形成了回火索氏體組織。當(dāng)熔敷金屬的成分介于二者之間時，其組織也介于二者之間，且隨著高強(qiáng)鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，熔敷金屬組織中粒狀貝氏體和針狀鐵素體增多。

(a)wH=0 (b)wH=40%

熔敷金屬成分的差異導(dǎo)致了微觀組織的改變，而微觀組織的改變會使熔敷金屬表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。熔敷金屬的拉伸試驗結(jié)果如圖8所示，可以看出，隨著熔敷金屬中高強(qiáng)鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，其抗拉強(qiáng)度從558 MPa增大到885 MPa，這是Ni元素固溶強(qiáng)化、貝氏體數(shù)量增加等因素共同作用的結(jié)果。圖9所示為表2中5號試驗所堆積的熔敷金屬的拉伸試樣斷口，呈韌窩形貌，屬于韌性斷裂，表明熔敷金屬塑性良好。

圖8 熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度

圖9 高強(qiáng)鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的熔敷金屬拉伸斷口形貌

在各個試樣的中心線上，硬度沿高度方向的分布如圖10所示。對于每一個成形件，在基板附近的熔敷金屬散熱條件好，冷卻速度快，易生成馬氏體組織，故硬度較高；隨著熔敷金屬遠(yuǎn)離基板，其散熱條件逐漸變差，并且受到前層預(yù)熱、后層后熱的作用冷卻速度減小，故馬氏體減少，硬度降低，堆積到一定高度之后硬度趨于穩(wěn)定[13]；而頂層區(qū)域的熔敷金屬沒有經(jīng)歷后熱回火，硬度再次增大。各試樣中層區(qū)域的平均硬度如圖11所示，隨著高強(qiáng)鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，熔敷金屬的硬度增大，變化范圍為197HV～390HV。

圖10 成形件的硬度分布

圖11 熔敷金屬的平均硬度

3 異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)件的增材制造

在上述研究的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗證異質(zhì)輔助填絲熔化極電弧增材制造方法調(diào)節(jié)熔敷金屬成分與性能的效果，以履帶誘導(dǎo)齒結(jié)構(gòu)為例，開展了低碳鋼/高強(qiáng)鋼異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)件的熔敷試驗。

誘導(dǎo)齒是履帶的重要組成部件之一，在車輛轉(zhuǎn)彎或側(cè)傾時能夠卡住車輪，防止履帶脫落。誘導(dǎo)齒的頂部與車輪摩擦，為主承載部位，需要具有良好的耐磨性；而根部為非承載部位，滿足強(qiáng)度要求即可[14]。基于上述分析，設(shè)計了圖12所示的由低碳鋼、高強(qiáng)鋼組成的異質(zhì)材料誘導(dǎo)齒模擬件，該誘導(dǎo)齒屬于多層多道結(jié)構(gòu)，由20個熔敷層組成，最下層熔敷金屬為低碳鋼，后續(xù)每層熔敷金屬的高強(qiáng)鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次增加1.5%。熔敷過程中，道間溫度為40 ℃，每層采用先中間后兩邊的順序堆積，各個熔敷道的堆積方向相同。所成形的異質(zhì)材料誘導(dǎo)齒模擬件如圖13所示，未見明顯宏觀缺陷，成形過程穩(wěn)定，熔敷效率約為3.2 kg/h。該成形件橫截面中心線上的硬度分布如圖14所示，從齒根部到齒頂部逐漸增大，硬度梯度約為1.6HV/mm，有效避免了性能差異顯著的材料直接結(jié)合所引發(fā)的界面失配問題。結(jié)果表明，異質(zhì)輔助填絲熔化極電弧增材制造方法能夠高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地實現(xiàn)異質(zhì)材料零件的良好成形。

圖12 異質(zhì)材料誘導(dǎo)齒成分分布及分層切片

圖13 異質(zhì)材料誘導(dǎo)齒成形外觀

圖14 異質(zhì)材料誘導(dǎo)齒硬度分布

上述案例中僅對成形件的豎直方向設(shè)置了性能梯度，同一層的熔敷金屬成分相同，可以采用相同的熔敷規(guī)范進(jìn)行堆積。若在水平方向也設(shè)置性能梯度，則采用文中方法在同一層內(nèi)的各個位置堆積對應(yīng)成分的材料即可，然而，這對參數(shù)規(guī)劃提出了更高的要求：需要保證各個熔敷道成形尺寸相同，成分相異。調(diào)整輔助焊絲的送絲速度在改變?nèi)鄯蠼饘俪煞值耐瑫r，會引起熔敷道高度的變化，所以需要同時調(diào)整熔敷電流、送絲速度等參數(shù)，才能確保熔敷道的成形尺寸與成分同時滿足要求。該問題的參數(shù)規(guī)劃有解，相關(guān)示例如表3所示。

表3 使熔敷道尺寸相同、成分相異的熔敷規(guī)范參數(shù)

為了使上述問題得到簡化，在未來的研究中，可以考慮同時向熔池中輸送兩根輔助焊絲，熔化極焊絲的成分與其中一者相同，與另一者相異。固定熔敷電流以及兩根輔助焊絲送絲速度之和，通過調(diào)整兩根輔助焊絲的送絲速度比，即可在不影響熔敷道成形的前提下改變其成分與性能，進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)過程的靈活性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文提出了異質(zhì)輔助填絲熔化極電弧增材制造方法，向熔池中同時輸送H08Mn2Si低碳鋼焊絲與H06MnNi3CrMoA高強(qiáng)鋼焊絲，實現(xiàn)了熔敷金屬的成分、組織與性能的調(diào)節(jié)，得到了以下結(jié)論：

(1)隨著熔敷金屬中高強(qiáng)鋼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，組織中粒狀貝氏體和針狀鐵素體增多，熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度與顯微硬度增大，其調(diào)節(jié)范圍為558～885 MPa以及197HV～390HV。

(2)異質(zhì)輔助填絲熔化極電弧增材制造方法能夠?qū)崿F(xiàn)金屬異質(zhì)材料零件的良好成形，使兩種材料之間通過成分梯度過渡連接，有效緩和了界面失配現(xiàn)象。