吳隨松, 郭 純,營 夢, 劉武猛, 李 云, 康泰宇

(1.安徽工程大學機械工程學院,安徽 蕪湖 241000;2.安徽科技學院機械工程學院,安徽 鳳陽 233100)

0 引 言

增材制造(AM)也稱作3D 打印。是一種能夠快捷逐層構(gòu)建三維自由形狀物體制造的過程,它能夠快速成形出產(chǎn)品零件。改變了傳統(tǒng)零件難加工或結(jié)構(gòu)較為復雜的零件加工制造方式,可實現(xiàn)對零件結(jié)構(gòu)進行個性化優(yōu)化設(shè)計(設(shè)計/制造一體化)。增材制造技術(shù)較傳統(tǒng)加工可以將制造時間減少40%-60%,同時也可以節(jié)省原材料的使用(材料利用率高,部分材料利用率可以達到百分之百),沉積效率高等[1-5]。大大降低了制造成本,節(jié)省了人力、物力。特別在航空航天、汽車、醫(yī)療機械設(shè)備等領(lǐng)域中,對其形狀復雜的大尺寸快速近凈成形構(gòu)件制造當中有較大的優(yōu)勢。我國的重要戰(zhàn)略文件《中國制造2025》也對其明確指出,增材制造技術(shù)裝備及材料成為我國制造業(yè)迅速發(fā)展的重點方向之一[6-9]。金屬增材制造技術(shù)會根據(jù)熱源的性質(zhì)不同,主要有三種類型的增材制造工藝:電弧增材制造(WAAM)、激光增材制造(LAM)、電子束增材制造(EBAM)。對填充原材料的使用通常有金屬粉末和焊絲。其中基于電弧增材制造技術(shù)以金屬焊絲為原材料,它是以電弧為熱源通過電弧熱源融化金屬焊絲,并按照設(shè)定好的成形路徑在沉積基板上進行自下而上的逐層熔覆堆積從而直接快速成形出實體的產(chǎn)品零件[10-13]。隨著科學與技術(shù)、多學科多領(lǐng)域錯綜復雜快速的發(fā)展的今天,電弧增材制造技術(shù)憑借其獨特的優(yōu)勢對社會所需要的產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)和效率也變得尤為重要。目前對于高強度結(jié)構(gòu)鋼主要采用熱軋、鍛造、鑄造、熱沖壓等傳統(tǒng)工藝路線的制造方式,對于復雜結(jié)構(gòu)的高強度鋼零部件用傳統(tǒng)制造工藝流程較多且周期長,特別是對于復雜的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)工藝很難制造。因此,開展高強鋼電弧增材制造工藝研究具有重要意義[14-15]。采用電弧增材制造技術(shù)使用高強鋼焊絲開展了高強鋼電弧增材制造技術(shù)組織與性能研究,希望通過研究能為高強鋼電弧增材制造技術(shù)的應用提供理論和數(shù)據(jù)支持。

1 實驗與方法

實驗所使用的金屬絲材為德國斯坦因生產(chǎn)的高強鋼焊絲,牌號為MEGAFIL 1100M,直徑1.2 mm,焊絲主要化學成分如表1所示。電弧增材制造系統(tǒng)主要的設(shè)備為MIG-350RP 電源,六軸AIR10-A 機器人。實驗基材尺寸大小為長300 mm×寬100 mm×高12 mm 的Q235鋼板,成型打印前用手動打磨機對Q235鋼板基材表面上的飛塵、鐵銹和氧化物等雜質(zhì)進行打磨處理。采用預先設(shè)計好的工裝夾具對試驗平臺上基材鋼板四角進行固定,從而減小增材制造過程中基材鋼板的變形量。試驗前期根據(jù)單層焊道成型出的外觀質(zhì)量,選用最佳的工藝參數(shù)進行打印。采用紅外測溫儀檢測打印過程中的層間溫度。具體選用的成型工藝參數(shù)見表2所示。

表1 高強鋼氣保焊絲的化學成分要求(質(zhì)量分數(shù)/%)

表2 電弧增材制造工藝參數(shù)

實驗打印試樣尺寸大小約為長150 mm×寬20 mm×高70 mm。利用線切割機從試樣位置上截取一角用于金相分析、硬度測試、沿平行和垂直于沉積方向分別制備拉伸試樣和沖擊試樣。利用拉伸試驗機(UTM-6104)進行室溫拉伸性能測試,加載速率為3mm/min。利用擺錘式?jīng)_擊試驗機(JB-W300A)進行試樣沖擊試驗,試驗條件為室溫。拉伸、沖擊試驗每組3個試樣,試驗結(jié)束后使用掃描電鏡設(shè)備(蔡司EVO ?18)觀察沖擊、拉伸斷口形貌。使用XD-3X 射線衍射儀進行試樣XRD 實驗來分析試樣物相組成,X 射線實驗射線管為Cu耙,工作高壓36 V,工作電流24A,掃描速度2度/分,采樣步寬0.02度,掃描角度范圍為10°～90o。截取的金相試樣經(jīng)打磨、拋光后,使用4%硝酸酒精溶液對試樣表面進行腐蝕,然后使用4XC金相顯微鏡進行觀察。使用顯微硬度儀(HV-1000Z)進行顯微維氏硬度測定,試驗力為200 g,測試時沿試樣橫向和縱向方向等距測量10 點(每測試兩點之間的間隔為1mm)。所有試驗測試完成后使用相關(guān)軟件對測試結(jié)果進行處理并分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高強鋼電弧增材制造成形特性

圖1是采用電弧增材制造技術(shù)成形出的高強鋼薄壁墻試樣,從完整的成形試樣圖片可以看出采用MIG-350RP電源打印的高強鋼薄壁墻試樣在成型過程中沒有出現(xiàn)坍塌傾斜現(xiàn)象,有少量焊絲飛濺產(chǎn)生的金屬凝結(jié)成的固體小顆粒,整體外觀成形質(zhì)量良好。

圖1 電弧增材制造高強鋼薄壁墻成形試樣

2.2 高強鋼電弧增材制造組成及組織結(jié)構(gòu)特征

圖2 是高強鋼電弧增材制造試樣的XRD 圖譜,從XRD 圖譜可以看出試樣的三個強峰分別產(chǎn)生在44.54°角、64.75°角、82.14°角,其強度分別為1469,238,398通過對比得出,電弧增材制造高強鋼試樣的主要物相組成為Fe(a-Fe)相。

圖2 電弧增材制造高強鋼成形試樣的XRD圖譜

圖3所示是高強鋼電弧增材制造試樣的金相組織照片。從金相組織圖可以看出高強鋼電弧增材制造試樣的組織主要為塊狀和針狀鐵素體+粒狀貝氏體。另外,從金相圖可以看出,未發(fā)現(xiàn)熱裂紋、氣孔、夾渣、及未焊透等焊接缺陷,說明高強鋼電弧增材制造試樣的內(nèi)部質(zhì)量良好。

圖3 高強鋼電弧增材制造試樣的顯微組織

2.3 高強鋼電弧增材制造試樣的力學性能

圖4為電弧增材制造高強鋼試樣的顯微硬度折線分布圖。使用顯微維氏硬度計(HV-1000Z)在載荷200g的條件下,對高強鋼電弧增材試樣進行了橫向與縱向截面硬度測試。測試時從被測試試驗樣塊選取從上至下、從左往右等距測量10點,每兩點測試之間的間距為1mm。然后整理數(shù)據(jù)并處理得到試樣硬度折線分布圖。從顯微硬度分布圖可以看出高強鋼電弧增材制造試樣的硬度在橫向上的分布范圍為295～338 HV0.2,試樣橫向截面平均顯微硬度為321 HV0.2。試樣的硬度在縱向上的分布范圍為320～355 HV0.2,試樣縱向截面平均顯微硬度為338 HV0.2,硬度分布相對較均勻,縱向和橫向截面平均顯微硬度相差很小,縱向上的硬度波動大于橫向上的硬度波動,表明高強鋼電弧增材制造成形件具有均勻的組織和力學性能。從圖1電弧增材制造高強鋼成形試樣的形貌圖可知,電弧增材制造打印成形試樣是一個逐層堆焊的過程,前一層焊道組織會受到后一層焊道和同層焊道的反復預熱與后熱不斷循環(huán)的影響。從而導致產(chǎn)生晶粒形貌尺寸大小和析出物等,從而導致不同焊道層區(qū)域由于組織結(jié)構(gòu)不同則會導致顯微硬度大小有所差別,所以試樣截面硬度也將會出現(xiàn)微小的正常波動現(xiàn)象。

圖4 高強鋼電弧增材制造試樣的顯微硬度分布

表3為高強鋼電弧增材制造試樣的拉伸與沖擊性能試驗測試的結(jié)果,測試結(jié)果顯示,橫向拉伸試樣的抗拉強度927MPa,屈服強度829MPa,伸長率16.8%,室溫下的夏比沖擊值51 J?？v向拉伸試樣的抗拉強度915 MPa,屈服強度764MPa,伸長率14.1%,室溫下的夏比沖擊值63 J。試樣在橫向方向上的抗拉強度和屈服強度稍大于縱向方向上的抗拉強度和屈服強度。原因是在整個電弧增材制造過程中由于中下部靠為基板熱傳導較為顯著,所以相比于中上部散熱更快,晶粒也更小,也會出現(xiàn)微小的正常波動差異現(xiàn)象。但總體來看橫向與縱向試樣的力學性能差別不大都較為優(yōu)良。圖5為增材高強鋼拉伸試樣在橫向和縱向方向上的拉伸應力-應變曲線,從曲線圖中也可以看出電弧增材制造高強鋼在橫向抗拉強度、屈服強度略高于縱向抗拉強度和屈服強度?？傮w來看電弧增材制造高強鋼成形試樣的綜合力學性能較為良好。

表3 高強鋼電弧增材制造試樣的力學性能

圖5 電弧增材制造高強鋼試樣應力-應變曲線

如圖6所示,通過SEM 掃描電鏡觀察電弧增材制造試樣拉伸、沖擊斷口的形貌。圖中可以看出拉伸、沖擊試樣的斷口形貌界面上均存在大量的韌窩,韌窩分布密集、均勻,且尺寸較小,為典型的等軸狀韌窩,根據(jù)斷裂的微觀機制,可推斷其為微孔聚集型斷裂。說明在斷裂的過程中,存在韌性撕裂的現(xiàn)象具有良好的塑性,其拉伸、沖擊試樣斷裂方式均為韌性斷裂。

圖6 高強鋼電弧增材試樣拉伸、沖擊斷口形貌圖

3 結(jié) 語

采用電弧增材制造技術(shù)制備的高強鋼試樣在成形過程中有較小的飛濺固體小顆粒產(chǎn)生。試樣金相組織主要為塊狀和針狀鐵素體+粒狀貝氏體,金相結(jié)果可以看出試樣內(nèi)部具有均勻的組織,結(jié)構(gòu)無明顯缺陷,沒有氣孔和裂紋的產(chǎn)生,成形質(zhì)量良好。采用電弧增材制造高強鋼試樣的力學性能優(yōu)良,橫向和縱向截面顯微硬度分布較均勻,平均顯微硬度分別為321 HV0.2,338HV0.2。橫向抗拉強度927 MPa,屈服強度為829MPa,伸長率16.8%,室溫下的夏比沖擊值51 J?？v向抗拉強度915 MPa,屈服強度為764MPa,伸長率14.1%,室溫下的夏比沖擊值63 J。拉伸、沖擊試樣的斷口形貌界面上均存在大量的韌窩,韌窩分布密集、均勻,且尺寸較小,為典型的等軸狀韌窩,其斷裂方式為韌性斷裂。