李慶棠，季德生，張亞婷，劉寶昌，王方彬

（北京新風(fēng)航天裝備有限公司，北京 100854）

增材制造（Additive manufacturing，AM）技術(shù)是基于“離散-堆積”的原理，融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料成形加工等技術(shù)，通過(guò)將材料逐層堆積制造出所需結(jié)構(gòu)的零部件，實(shí)現(xiàn)“自下而上”直接生產(chǎn)實(shí)體零部件的先進(jìn)制造技術(shù)。電弧熔絲增材制造（WAAM）以焊接電弧作為熱源，以金屬絲材為原料，適用于制造大型結(jié)構(gòu)件和形狀復(fù)雜的零件[1-3]。電弧熔絲增材制造根據(jù)熱源的性質(zhì)可以分為三種類(lèi)型：熔化極氣體保護(hù)焊（MIG）、非熔化極氣體保護(hù)焊（TIG）和等離子弧焊（PAW）。其中，TIG焊采用鎢極作為電極，在惰性氣體的保護(hù)下電弧穩(wěn)定性好、無(wú)飛濺與熔渣、成形良好，適用于鋁合金、鈦合金、高溫合金等材料成形。2024鋁合金屬于Al-Cu-Mg系鋁合金，具有密度低、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、雷達(dá)等產(chǎn)品的制造[4-6]。

基于以上背景，本文以2024鋁合金為研究對(duì)象，以TIG電弧為熱源成形了鋁合金薄壁構(gòu)件，并進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理，研究了WAAM 2024鋁合金構(gòu)件的顯微組織和力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用直徑為1.2mm的2024鋁合金絲材為填充材料，基板選用尺寸為300mm×300mm×16mm的7075鋁合金板材為基板，化學(xué)成分如表1所示。由于污物、氧化膜和水分等會(huì)在構(gòu)件中產(chǎn)生夾雜和氣孔等缺陷，使構(gòu)件疲勞性能、強(qiáng)度等力學(xué)性能顯著下降，因此在增材制造前需要對(duì)基板和絲材進(jìn)行預(yù)處理，步驟為：使用角磨機(jī)對(duì)基板上的待沉積區(qū)域進(jìn)行打磨，去除表面的氧化膜等污物，再用無(wú)水乙醇將基板擦拭干凈，烘干后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；金屬絲材為真空包裝，新焊絲不作任何處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后放在電子防潮柜中以免絲材受潮或氧化。

表1 2024鋁合金絲材與7075鋁合金基板化學(xué)成分（wt.%）

1.2 試驗(yàn)方法

電弧熔絲增材制造系統(tǒng)由焊接電源、工業(yè)六軸機(jī)器人、變位機(jī)、焊槍、送絲機(jī)、氣體保護(hù)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等部分組成。以TIG電弧作為熱源，2024鋁合金絲材為填充材料，機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用擺動(dòng)成形路徑進(jìn)行2024鋁合金薄壁試樣的成形，成形原理與成形路徑如圖1所示。

圖1 電弧熔絲增材制造技術(shù)

增材成形前，需要對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)預(yù)熱電流較小時(shí)，液態(tài)金屬難以在基板上潤(rùn)濕，熔覆效果差，成形構(gòu)件橫截面呈現(xiàn)上寬下窄的現(xiàn)象。增加預(yù)熱電流和第一層的熱輸入，并適當(dāng)調(diào)整第一層的送絲參數(shù)，能夠提高成形質(zhì)量。成形過(guò)程的電流參數(shù)如表2所示，運(yùn)動(dòng)參數(shù)為擺動(dòng)步長(zhǎng)dx=0.75mm，擺動(dòng)寬度dy=7.5mm，運(yùn)動(dòng)速度TS=228mm/min，送絲速度WFS=5m/min，層間自然冷卻30s。沉積層收弧位置容易塌陷，在收弧端采取補(bǔ)送絲的方法，能夠有效解決塌陷問(wèn)題。WAAM 2024鋁合金薄壁構(gòu)件如圖2所示，2024鋁合金為熱處理強(qiáng)化鋁合金，電弧增材成形完成后，對(duì)2024薄壁構(gòu)件進(jìn)行T6固溶時(shí)效熱處理，固溶溫度為498℃，固溶時(shí)間為90min，時(shí)效溫度為190℃，時(shí)效時(shí)間為6h。

表2 成形過(guò)程電流參數(shù)

圖2 2024鋁合金薄壁構(gòu)件

由于電弧增材過(guò)程中起弧和熄弧位置成形穩(wěn)定性稍差，因此切除構(gòu)件起弧和熄弧端2cm范圍部分構(gòu)件，在構(gòu)件中部成形穩(wěn)定位置通過(guò)線切割工藝制備金相和拉伸試樣，構(gòu)件中心位置切取尺寸為15mm×15mm的試樣，經(jīng)打磨、拋光后，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）分析二次相分布特征；構(gòu)件兩側(cè)位置制備拉伸試樣，進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

WAAM 2024鋁合金和7075基板的掃描電鏡結(jié)果如圖3所示。

圖3 WAAM 2024鋁合金物相分布：(a)沉積態(tài);(b)熱處理態(tài)

沉積態(tài)構(gòu)件的第二相粒子主要呈網(wǎng)狀連續(xù)分布于晶界處，少量呈顆粒狀分布于晶界交點(diǎn)或晶粒內(nèi)部。黑色基體為鋁基體，Al2Cu和Al2CuMg的共晶產(chǎn)物沿晶界連續(xù)分布，晶粒內(nèi)部第二相粒子為Al2Cu相。

沉積態(tài)WAAM 2024鋁合金構(gòu)件內(nèi)部Cu元素和Mg元素在晶界處及晶粒內(nèi)部相粒子處發(fā)生富集，基體內(nèi)含量較低，合金元素成分偏析較為嚴(yán)重。固溶時(shí)效熱處理后，物相分布特征發(fā)生改變，基體上不存在沿晶界連續(xù)分布的第二相，白色的Al2Cu相主要以顆粒狀或棒狀形態(tài)在基體上彌散分布。

2.2 力學(xué)性能

WAAM 2024鋁合金薄壁構(gòu)件中心穩(wěn)定成形位置制備拉伸試樣，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試，位移速率為1mm/min，得到室溫拉伸性能如表3所示，沉積態(tài)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度最低為235MPa，平均抗拉強(qiáng)度為250MPa；熱處理后構(gòu)件抗拉強(qiáng)度最低為423MPa，平均抗拉強(qiáng)度為426MPa，與沉積態(tài)構(gòu)件相比提高了70.4%。

表3 WAAM 2024鋁合金室溫拉伸性能

固溶失效熱處理后，細(xì)小彌散分布的強(qiáng)化相使得鋁合金構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度大幅提升。

3 結(jié)論

本文采用電弧熔絲增材制造方法成形了2024鋁合金薄壁構(gòu)件，研究了固溶時(shí)效熱處理前后構(gòu)件的微觀組織和拉伸力學(xué)性能[7]。結(jié)果表明：

（1）WAAM 2024鋁合金沉積態(tài)構(gòu)件中，Al2Cu相和Al2CuMg相主要呈網(wǎng)狀連續(xù)分布于晶界處，少量Al2Cu相呈顆粒狀分布于晶界交點(diǎn)或晶粒內(nèi)部。熱處理后，Al2Cu相呈顆粒狀或棒狀形態(tài)彌散分布。

（2）WAAM 2024鋁合金沉積態(tài)構(gòu)件的平均抗拉強(qiáng)度為250MPa，熱處理后抗拉強(qiáng)度為426MPa，提高了70.4%。