沈磊，黃健康,2，劉光銀，余淑榮，樊丁,2，宋閩

(1.蘭州理工大學(xué),蘭州,730050；2.蘭州理工大學(xué),省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州,730050；3.大連船舶重工集團(tuán)有限公司,大連,116103)

0 序言

Ti-6Al-4V 鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)療和化學(xué)工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2].對(duì)于傳統(tǒng)的鈦合金零件制造，大都采用鍛造和鑄造的方式，存在設(shè)備昂貴、小批量生產(chǎn)困難、難切削加工等缺點(diǎn)，極大地限制鈦合金的廣泛應(yīng)用[3].隨著增材制造技術(shù)地進(jìn)一步發(fā)展，很好地解決了這些問(wèn)題，該技術(shù)可以通過(guò)軟件，根據(jù)零件的三維結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)增材過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的路徑規(guī)劃，從而獲得逐層堆積的幾何實(shí)體[4].同時(shí)，在進(jìn)行增材制造過(guò)程中不需要昂貴的設(shè)備，生產(chǎn)成本低，制造效率高，在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)上也具有更高的自由度[5].這些都使鈦合金增材制造技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用.

利用等離子弧進(jìn)行增材制造有比較廣泛的研究，如徐俊強(qiáng)等人[6]利用等離子弧增材系統(tǒng)對(duì)異質(zhì)異構(gòu)的增材件進(jìn)行制備，發(fā)現(xiàn)可以獲得良好的沉積形貌.潘子欽等人[7]利用等離子弧對(duì)鈦合金增材件的疲勞斷裂行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)孔洞的存在使疲勞壽命產(chǎn)生較大的彌散性.因此，Ti-6Al-4V 鈦合金增材制造過(guò)程中，電弧熱作用將重熔前一道沉積層，使其溫度升高，重復(fù)的加熱冷卻過(guò)程將會(huì)出現(xiàn)晶粒尺寸增加、殘余應(yīng)力等問(wèn)題[8]，會(huì)嚴(yán)重降低增材件的力學(xué)性能.因此，如何減小晶粒尺寸成為提高增材件性能的重要方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)晶粒細(xì)化進(jìn)行較為深入的研究，細(xì)化晶粒主要有化學(xué)冶金以及物理手段[9].化學(xué)冶金手段需要添加合金元素，易產(chǎn)生合金元素?zé)龘p、分布不均勻的問(wèn)題.更多的學(xué)者選擇用物理手段來(lái)進(jìn)行細(xì)化晶粒和改善增材件性能.比如Zhang 等人[10]通過(guò)在激光填絲試驗(yàn)過(guò)程中加入交流電，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，交流電的加入使元素分布更加均勻，成形質(zhì)量提高.楊光等人[11]研究電磁攪拌對(duì)鈦合金激光熔覆過(guò)程中熔池的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電磁力會(huì)使熔池流速加快，降低熔池溫度和凝固界面的溫度梯度，使等軸晶數(shù)量增多.Sabzi 等人[12]研究了脈沖電流對(duì)不銹鋼焊接接頭的影響情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加峰值電流會(huì)使焊縫的柱狀組織向更加精細(xì)的等軸組織轉(zhuǎn)變，故在TIG 增材制造工藝中加入輔助交流電的方式，可以顯著改善增材件的微觀組織以及性能.

文中提出外加交流電流輔助的方法，來(lái)降低晶粒尺寸，提高增材件的性能.外加在焊絲上的輔助交流會(huì)影響電弧的擺動(dòng)以及熔池的流動(dòng)，從而對(duì)微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，故對(duì)外加輔助交流的電弧形貌進(jìn)行討論，對(duì)增材件的微觀組織及性能進(jìn)行研究，從而揭示電弧增材過(guò)程中外加交流電流作用的內(nèi)在機(jī)理，闡明外加交流電流對(duì)增材件的組織和性能的影響.為實(shí)現(xiàn)鈦合金材料的性能強(qiáng)化提供新的技術(shù)與理論基礎(chǔ)，為鈦合金材料的增材制造提供可靠的技術(shù)解決方案.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過(guò)程中使用的基材與填充焊絲為同種材料，均為T(mén)i-6Al-4V 鈦合金，化學(xué)成分如表1 所示.其中，基板尺寸為100 mm×100 mm×3 mm，填充焊絲直徑為1.2 mm.試驗(yàn)前，先用砂紙去除基材表面的氧化膜，并用丙酮清洗表面.前期開(kāi)展了大量的工藝研究并分析了影響堆垛層成形的主要因素，從而制定出最佳的試驗(yàn)參數(shù)，如表2 所示.為了保證試驗(yàn)更具科學(xué)性，保證外加交流電流和主弧電流之和為90 A.

表1 Ti-6Al-4V 鈦合金化學(xué)成分組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of Ti-6Al-4V titanium alloy

表2 試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Test parameters

試驗(yàn)所用的是DML-028D 型等離子弧焊機(jī)，將輔助交流采用的是WSME-280i 型交流焊機(jī)，并將填充焊絲和基板連接.試驗(yàn)平臺(tái)如圖1 所示.采用同向堆垛的方式，使焊絲在熔池前端進(jìn)行熔化，在堆垛完成一道后，進(jìn)行空冷5 min，減少熱積累對(duì)后一道焊道的影響，每次抬高2 mm，保證每道焊道的高度一致.堆垛結(jié)束后，采用線切割機(jī)在增材件中切出金相試樣以及壓縮試樣，試樣位置如圖1 所示.同時(shí)，利用高速攝像設(shè)備對(duì)增材過(guò)程中的電弧及熔池形態(tài)進(jìn)行觀察，利用蔡司 Axio Scope A1 型光學(xué)顯微鏡(OM)和場(chǎng)發(fā)射 FEG-450 型掃描電子顯微鏡(SEM)研究增材件的微觀組織和元素分布，利用顯微硬度測(cè)試儀和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)增材件的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試分析.

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)及取樣位置Fig.1 Experimental platform and sampling location

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 增材件宏觀形貌

利用高速攝像設(shè)備對(duì)電弧行為和熔滴過(guò)渡進(jìn)行觀察.圖2 為一個(gè)周期20 ms 下不同外加輔助交流鈦合金增材過(guò)程中的高速攝像圖.交流電頻率對(duì)電弧形態(tài)有很大影響，頻率過(guò)大，會(huì)使電弧形態(tài)發(fā)生收縮、不穩(wěn)定現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率為50 Hz 時(shí)，最有利于試驗(yàn)的進(jìn)行.圖2a 為未外加交流電流時(shí)，電弧為穩(wěn)定的柱狀，不存在周期性振蕩的情況，電弧擺動(dòng)幅度很小，熔滴主要為小滴搭橋過(guò)渡.當(dāng)外加交流電流為10 A 時(shí)，電弧出現(xiàn)擺動(dòng)，但是擺動(dòng)的幅度較小，電弧的擺動(dòng)和交流的頻率相一致，熔滴形狀較為明顯，如圖2b 所示.當(dāng)外加交流電流為20 A 時(shí)，電弧擺動(dòng)幅度進(jìn)一步變大，形成一定的偏轉(zhuǎn)角，如圖2c 所示.當(dāng)外加交流電流為30 A 時(shí)，焊絲端部的熔滴上面出現(xiàn)比較明顯的交流電弧，并會(huì)周期性的熄滅和燃燒，如圖2d 所指出部分，同時(shí)電弧擺動(dòng)幅度加劇，電弧偏轉(zhuǎn)角顯著變大.觀察圖2 可以發(fā)現(xiàn)，同樣時(shí)間內(nèi)，當(dāng)外加交流電流為30 A 時(shí)，熔滴長(zhǎng)大速度更快，并且電弧壓力和電磁力引起的電弧擺動(dòng)又會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生較為明顯攪拌作用[13].隨著外加交流電流的增大，電弧的擺動(dòng)幅度加劇，熔滴的尺寸變大，熔滴的生長(zhǎng)速度也會(huì)加快，從而會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生比較明顯的振蕩作用.

圖2 不同外加交流電流下熔滴和電弧形貌的高速攝像Fig.2 High-speed images of droplet and arc morphologies with different plus alternating current(AC).(a) plus AC 0 A;(b) plus AC 10 A;(c) plus AC 20 A;(d) plus AC 30 A

圖3 為不同外加交流電流下鈦合金增材件的宏觀形貌.此試驗(yàn)采用單向堆垛方式，總堆垛10 層，總高度約為20 mm.從圖3 可以看出，在增材件的前端和末端都出現(xiàn)塌陷，中間部位焊接過(guò)程較為穩(wěn)定，成形較為平整.同時(shí)，從橫截面也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)未加交流時(shí)，增材件的粗糙度較大，兩側(cè)出現(xiàn)明顯的凹陷，層間分界比較明顯.當(dāng)外加交流電流為10，20 A 時(shí)，制備的增材件的成形良好，堆垛層較為平直，沒(méi)有明顯表面缺陷.

圖3 不同外加交流電流下鈦合金的堆垛形貌Fig.3 Stacking morphologies of titanium alloys with different plus AC.(a) plus AC 0 A;(b) plus AC 10 A;(c) plus AC 20 A;(d) plus AC 30 A

為分析外加交流電流對(duì)鈦合金增材件宏觀形貌的影響，對(duì)增材件進(jìn)行測(cè)量寬窄.為了測(cè)量更加精確，采用多次測(cè)量以及選擇圖4 中所示中間位置進(jìn)行測(cè)量，從而評(píng)估增材件左右兩側(cè)的粗糙度.從圖4 可以看出，未加交流的寬度相差較大，當(dāng)外加交流電流為10 A 和20 A 時(shí)，寬度的變化不大，增材件側(cè)壁表面的粗糙度較小，測(cè)量結(jié)果和圖3 一致.故外加交流電流可以顯著提高鈦合金增材件的成形質(zhì)量.

圖4 不同外加交流電流下增材件表面粗糙度Fig.4 Surface roughness of additive parts with different plus AC

2.2 組織與性能

當(dāng)外加交流電流時(shí)，會(huì)形成耦合交流電弧，影響電弧中的電磁場(chǎng)分布，導(dǎo)致電弧產(chǎn)生周期性振蕩，促進(jìn)熔池的流動(dòng)，轉(zhuǎn)移固/液界面中的合金元素，降低成分過(guò)冷度，進(jìn)而導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)速度的降低，同時(shí)還很容易形成結(jié)構(gòu)波動(dòng)和溫度波動(dòng)，在熔池區(qū)域成核.故外加交流電流會(huì)影響鈦合金增材件的組織與性能.

2.2.1 微觀組織

圖5 為不同外加交流電流下鈦合金電弧增材件的微觀組織.鈦合金增材件的顯微組織主要由α 相和β 相組成，其中β 晶粒會(huì)形成“束集”，α 晶粒主要以片層狀存在，與未加交流電流相比，加入交流電流后微觀組織更加清晰，α 相更加粗糙，同時(shí)β 相的晶界也更加清晰，熔覆層中α 相和β 相的片層更加雜亂.

采用Image Pro-Plus 軟件對(duì)不同外加交流電流下鈦合金增材件的晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6 所示.當(dāng)外加交流電流為0，10，20，30 A 時(shí)，試樣的晶粒尺寸分別為426.894，317.873，294.259 μm和241.798 μm.從未加交流到外加交流電流30 A，晶粒尺寸減少了43.4%.隨著外加交流電流的增加，試樣的晶粒尺寸逐漸變小，是因?yàn)橥饧咏涣麟娏魉a(chǎn)生的電磁力使熔池內(nèi)的傳質(zhì)以及傳熱更快，提高熔池液態(tài)金屬的流速，電磁力的作用也對(duì)熔池產(chǎn)生一定的攪拌作用，使枝晶產(chǎn)生破碎，晶核的數(shù)量也進(jìn)一步增多，從而細(xì)化了晶粒[14].

圖6 不同外加交流電流下增材件的晶粒尺寸Fig.6 Grain size of additive parts with different plus AC

圖7 為不同外加交流電流試樣的SEM 面掃描元素分析.由于試驗(yàn)過(guò)程中保護(hù)氣體為氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚?，采用含氮混合氣可以使氮?dú)夂外伜辖鸱磻?yīng)，從而生成氮化鈦化合物，對(duì)堆垛層有較好的強(qiáng)化作用.從圖7 可以看出，Ti，Al，V 元素分布均勻，N 元素主要集中在片層α 相中，而對(duì)于β 相中氮元素的分布較少，也能較為清晰的觀察出鈦合金α 相和β 相相間分布的片層組織.

2.2.2 力學(xué)性能

圖8 為不同外加交流電流下增材件的硬度，圖8a 顯示了增材件上的顯微硬度分布情況，可以發(fā)現(xiàn)增材件的上部第1～3 層硬度普遍略低于中下部4～10 層的硬度，中下部會(huì)有比較充分的后一焊道對(duì)前一焊道的熱處理作用，即4～10 層區(qū)域經(jīng)過(guò)了反復(fù)的時(shí)效作用，從而會(huì)使α′等相產(chǎn)生分解，會(huì)對(duì)增材件硬度起到很好的強(qiáng)化作用[15].從圖8b 可以發(fā)現(xiàn)硬度值隨著外加電流的增加也逐漸增加，外加電流為0，10，20，30 A 的硬度值分別為406.45，423.39，446.59，454.15 HV.因?yàn)樵谳^高的外加電流的作用下，一方面增材件產(chǎn)生更多的網(wǎng)籃組織[16]，網(wǎng)籃組織相比于片層的α 組織有著更高的硬度，并且網(wǎng)籃狀的α 和β 界面相比片層狀的α 和β 界面具有更高的界面能，能夠更好地阻礙位錯(cuò)移動(dòng)，從而提高硬度[17].另一方面，根據(jù)前面對(duì)晶粒尺寸的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨著外加輔助交流值的增加，晶粒尺寸明顯減小，晶界相對(duì)面積增多，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，增材件的硬度也會(huì)增加.

圖8 不同外加交流電流作用下鈦合金增材件的硬度Fig.8 Hardness values of titanium alloy additive parts with different plus AC.(a) hardness value distribution;(b) average hardness

圖9 為不同外加交流電流作用下鈦合金增材件壓縮試樣的應(yīng)力 —應(yīng)變曲線，從圖9 可以發(fā)現(xiàn)，不同外加交流電流的增材件壓縮應(yīng)力變化不大，均在1 300 MPa 左右，但是外加交流電流對(duì)塑性影響較大.當(dāng)未加交流電流時(shí)，壓縮應(yīng)變最低為0.110%，當(dāng)外加交流電流為30 A 時(shí)，試樣的壓縮應(yīng)變最大為0.280%，相比未加交流電流增加2.5 倍.而外加交流電流分別為20 A 和10 A 時(shí)試樣的壓縮應(yīng)變較為相近，分別為0.171%和0.186%.文獻(xiàn)[14]中研究表明，外加輔助交流制造的鈦合金增材件的力學(xué)性能取決于外加交流電流，當(dāng)外加交流電流為30 A 時(shí),增材件為等軸顯微組織，塑性最好.隨著外加電流的引入，對(duì)增材件的抗壓強(qiáng)度影響不大，但顯著增加增材件的塑性.

3 結(jié)論

(1)未加交流的鈦合金增材件表面較為粗糙，存在明顯凹陷.外加交流電流為10，20 A 時(shí)，焊接過(guò)程穩(wěn)定，增材件表面粗糙度小，成形較為平整.

(2)當(dāng)外加交流電流為30 A 時(shí)，電弧擺動(dòng)幅度最大，產(chǎn)生耦合電弧.微觀組織中β 相的晶界也更加清晰，而熔覆層中α 相和β 相的片層分布更加雜亂，晶粒尺寸也明顯細(xì)化，相比未加交流的增材件晶粒尺寸減少了43.4%.

(3)鈦合金電弧增材件的硬度隨著外加交流電流的增加而增加，外加交流電流對(duì)增材件的壓縮應(yīng)力影響不大，均為1 300 MPa 左右，但顯著提升增材件的塑性，當(dāng)外加交流電流為30 A 時(shí)，應(yīng)變相比未加交流提高2.5 倍.