吳凱，卜智翔，況小草，魏李庚，王立世

(湖北工業(yè)大學(xué),武漢,430068)

0 序言

電弧增材制造(wire arc additive manufacturing,WAAM)是以電弧為熱源，基于離散堆積原理通過自下至上材料逐層堆積的方式進(jìn)行零件加工的新方法，具有成形效率高、設(shè)備成本低和材料利用率高的優(yōu)點(diǎn)，在大尺寸零件成形和模具修復(fù)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1-4].相關(guān)研究表明，以增材制造方式成形的構(gòu)件力學(xué)性能要優(yōu)于鑄造方式加工出的構(gòu)件[5].隨著汽車、航空、航天等相關(guān)行業(yè)材料輕量化的提出，鑄造鋁合金的應(yīng)用越來越廣泛，其中Al-Si 系合金憑借良好的耐磨性、良好的成形性和熱裂傾向較低的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于增材制造技術(shù)中[6-8].在成形方面，K?hler 等人[9]對(duì)4047 鋁合金和5356 鋁合金的電弧增材制造成形工藝和力學(xué)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，4047 鋁合金薄壁構(gòu)件比5356 鋁合金構(gòu)件的表面光潔度更差，其幾何結(jié)構(gòu)更加不均勻.Evjemo 等人[10]以4047 鋁合金焊絲為材料，研究了薄壁方盒的不熄弧增材路徑，結(jié)果表明，能夠提高增材效率，改善構(gòu)件成形質(zhì)量.雖然電弧增材制造成形效率高，但是因其熱量高導(dǎo)致增材件的精度低仍是增材制造技術(shù)面臨的主要問題[11-12].為降低熱量積累，相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過多項(xiàng)研究.Fu 等人[13]研究了一種新的熱絲電弧增材制造方法，結(jié)果表明，將導(dǎo)線連接到基板上產(chǎn)生的電阻熱可以輔助焊絲熔化以降低電弧能量輸入.Hackenhaar和Montevecchi 等人[14-15]研究了向增材構(gòu)件噴射氣體的方法以加快其冷卻，結(jié)果表明，向增材構(gòu)件噴射氣體可以有效降低層間溫度，防止熱量積累，但此種方法需外加空氣射流裝備，增加了試驗(yàn)成本.陳克選等人[16]研究了基板底部有無(wú)水冷的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，結(jié)果表明，添加水冷條件后，基板的冷卻速率顯著降低，構(gòu)件形貌的塌陷程度有較大的改善，但并未對(duì)其組織與性能進(jìn)一步研究.

為降低增材制造過程中熱量積累，優(yōu)化4047 鋁合金構(gòu)件的成形質(zhì)量，通過在基板底部加裝水冷鋁板強(qiáng)制散熱，選用ER4047 鋁合金焊絲進(jìn)行電弧增材試驗(yàn)，制備了兩種不同工藝的直壁增材構(gòu)件，并與未加裝水冷鋁板制備的構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比，研究水冷約束對(duì)增材構(gòu)件微觀組織和力學(xué)性能的影響，以期為改善電弧增材4047 鋁合金構(gòu)件質(zhì)量提供實(shí)踐指導(dǎo)和理論依據(jù).

1 試驗(yàn)方法

選用直徑為1.2 mm 的ER4047 鋁合金焊絲和200 mm × 100 mm × 5 mm 的6082 鋁合金基板作為試驗(yàn)材料.增材設(shè)備采用ABB IRB-1410 型焊接機(jī)器人和MIG-500RP 型焊機(jī).水冷鋁板尺寸為240 mm × 120 mm × 15 mm.采用TY-20 型焊接冷卻循環(huán)水箱，其最大流量為23 L/min.采用的保護(hù)氣體為純度99.999%氬氣；測(cè)溫裝置為CK-01A 型紅外溫度傳感器，數(shù)據(jù)在LabVIEW 上讀取和保存.

試驗(yàn)前，先去除基板表面氧化膜.為防止試驗(yàn)時(shí)基板受熱變形無(wú)法與水冷鋁板接觸，采用夾具對(duì)基板四周固定.表1 為設(shè)置的3 種構(gòu)件的工藝條件，電弧增材制造主要工藝參數(shù)見表2.規(guī)定沿平行焊縫方向?yàn)闄M向，垂直于基板高度方向?yàn)榭v向，橫向和縱向各取3 個(gè)拉伸試樣測(cè)試抗拉強(qiáng)度，然后取平均值，在直壁構(gòu)件縱向截面測(cè)試維氏硬度平均值.圖1 為增材制造示意圖，P 點(diǎn)為基板溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沿覆層堆敷方向，距離堆覆層起點(diǎn)70 mm，距離覆層中線垂直距離為27.5 mm，成形后的直壁構(gòu)件的取樣位置如圖2 所示.

圖1 附加水冷增材制造示意圖Fig.1 Schematic diagram of WAAM with water-cooling

圖2 拉伸試樣取樣位置Fig.2 Sampling locations of tensile specimens

表2 WAAM 工藝參數(shù)Table 2 Processing parameters of WAAM

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 增材構(gòu)件宏觀形貌與基板熱循環(huán)曲線

圖3 為直壁增材構(gòu)件宏觀形貌.從形貌上看，A 組整體形貌較好，每層焊道之間紋理均勻分明，表面相對(duì)平整；B 組增材構(gòu)件側(cè)壁略有溝壑起伏出現(xiàn)流淌現(xiàn)象，成形效果略差.由于A 組和B 組層間有熄弧冷卻，構(gòu)件兩端因逐層起弧和熄弧而出現(xiàn)塌陷.C 組宏觀形貌最優(yōu)，成形最好，側(cè)壁較為平整，因?yàn)樵霾倪^程中電弧未中斷，電弧與焊絲的伸出長(zhǎng)度在成形過程中相對(duì)穩(wěn)定，構(gòu)件兩端沒有塌陷現(xiàn)象產(chǎn)生，使得其形貌優(yōu)于A，B 組構(gòu)件.

表3 為3 種構(gòu)件成形后的尺寸和時(shí)間參數(shù).在增材過程中，增材構(gòu)件若未能充分冷卻，后續(xù)熔覆時(shí)熱量會(huì)逐漸積累，使已增材部分保持較高的溫度，下層熔覆時(shí)熔池的尺寸增加，熔覆焊道的熔寬增加.由于焊接電流不變，總?cè)刍附z體積不變，因此熔覆焊道的余高減小.當(dāng)增材相同層數(shù)時(shí)，A 組工藝由于水冷鋁板的散熱作用，熱積累現(xiàn)象降低，使得單層焊道的高度略高于B 組.C 組工藝無(wú)層間冷卻，熱量積累現(xiàn)象最為嚴(yán)重，增材至相同的高度時(shí)需要花費(fèi)更多的層數(shù).制備相同高度的試樣時(shí)，C 組需要堆敷更多層數(shù)，但因?yàn)闆]有層間冷卻，C 組增材效率遠(yuǎn)優(yōu)于A 組和B 組，效率約為原來的5 倍.

表3 增材構(gòu)件的尺寸和制備時(shí)間Table 3 Size and preparation time of WAAM parts

圖4 為3 組試驗(yàn)基板溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線.A 組和B 組試驗(yàn)基板每一層最高溫度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最低溫度則呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，C 組試驗(yàn)基板每一層最高溫度和最低溫度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).對(duì)比A 組和B 組不同的冷卻方式，A 組在有水冷鋁板的條件下，基板監(jiān)測(cè)點(diǎn)在第11 層最高溫度為115 ℃.B 組基板監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度的整體變化趨勢(shì)與A 組溫度變化趨勢(shì)大致相同，但由于無(wú)水冷，熱量逐漸積累，監(jiān)測(cè)點(diǎn)最高溫度在第12 層為134 ℃.C 組由于無(wú)層間冷卻，熱量積累現(xiàn)象在3 組試驗(yàn)中最為嚴(yán)重，在第18 層峰值溫度達(dá)到最高值190 ℃，隨后各層的峰值溫度呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì).

圖4 基板溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)P 熱循環(huán)曲線Fig.4 Thermal cycle curve of substrate temperature monitoring at point P.(a) group A and B;(b)group C

2.2 微觀組織

沿直壁增材構(gòu)件高度方向作切面，使用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)增材構(gòu)件內(nèi)部組織，圖5、圖6 和圖7 分別為3 種工藝下增材構(gòu)件底層區(qū)(與基板相鄰區(qū)域)、中間層區(qū)和頂層區(qū)微觀組織.由于基板散熱較快，熔池冷卻過冷度大，晶粒來不及生長(zhǎng)，因此底層組織晶粒尺寸相對(duì)較小，多以等軸晶為主.隨著增材層數(shù)的增加，熱量開始積累，熔池冷卻速率減緩，構(gòu)件的中間層區(qū)散熱趨于多向化，晶粒以粗大的柱狀晶和樹枝晶為主，晶粒尺寸較底層有所增大.由于構(gòu)件頂層區(qū)未經(jīng)歷加熱重熔，晶粒尺寸略小于中間層區(qū)晶粒尺寸，析出相多以魚骨狀為主.

圖5 底層區(qū)微觀組織Fig.5 Microstructure of bottom zone.(a) group A;(b) group B;(c) group C

對(duì)比3 種增材構(gòu)件從底層區(qū)至頂層區(qū)的微觀組織，3 種工藝條件下晶粒尺寸從底層區(qū)到中間層區(qū)都呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但頂層區(qū)未經(jīng)歷重熔，晶粒的尺寸要略小于中間層區(qū)晶粒尺寸，且3 組試驗(yàn)中A 組試樣晶粒小于B 組試樣晶粒，C 組試樣晶粒最為粗大.增材制造過程中，基板底部的水冷鋁板通過基板帶走部分熱量，使每次增材時(shí)前一層已沉積部分的初始溫度較小，減小了下一層沉積時(shí)的熱積累，提高了冷卻速度，使晶粒細(xì)化.

圖8 為3 組增材試樣X 射線衍射儀(X-ray diffractometer,XRD)掃描結(jié)果.4047 鋁合金焊絲的主要元素成分為Al 和Si，因此在增材構(gòu)件中發(fā)現(xiàn)較為典型的Al 相和Si 相.3 組試驗(yàn)中C 組試樣峰值強(qiáng)度略高，在半峰寬基本相同的情況下，由于C 組構(gòu)件在增材過程中長(zhǎng)時(shí)間保持高溫狀態(tài)，后續(xù)層增材時(shí)相當(dāng)于對(duì)前層增材組織進(jìn)行熱處理，使溶于Al 基體中的Si 析出，因而C 組試驗(yàn)Al 和Si 的峰值強(qiáng)度要高于A 組和B 組.通過能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)對(duì)B 組試樣不同區(qū)域組織進(jìn)行點(diǎn)掃描測(cè)試，結(jié)果表明，增材構(gòu)件主要由Al-Si 共晶體和α-Al 基體和少量的氧化物組成，如圖9 所示.

圖8 增材構(gòu)件的XRD 圖譜Fig.8 XRD diagram of WAAM parts

圖9 B 組試樣EDS 點(diǎn)掃描結(jié)果Fig.9 EDS point scanning results of group B sample

2.3 力學(xué)性能

圖10 為3 種增材構(gòu)件的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果.A 組、B 組、C 組3 組試樣平均硬度值依次降低，增材構(gòu)件的硬度與其晶粒大小有關(guān)，A 組增材構(gòu)件晶粒最小，因而其硬度相對(duì)較高，B 組次之，C 組試驗(yàn)由于增材時(shí)熱積累最嚴(yán)重，晶粒最大，硬度最低.對(duì)比抗拉強(qiáng)度，A 組試樣最高，C 組試樣最低，且3 種構(gòu)件的橫向抗拉強(qiáng)度都高于縱向，在抗拉強(qiáng)度上略表現(xiàn)出各向異性.A 組與B 組相比，加裝了水冷鋁板，試樣的抗拉強(qiáng)度提高；A 組與C 組相比，設(shè)置了層間冷卻時(shí)間，試樣的抗拉強(qiáng)度提高，造成這種現(xiàn)象的原因是構(gòu)件晶粒得到細(xì)化，增材構(gòu)件抗拉強(qiáng)度提高.圖10b 為增材構(gòu)件的斷后伸長(zhǎng)率，縱向試樣取樣于垂直堆敷層方向，相比于橫向試樣，縱向試樣更易在層間結(jié)合處發(fā)生斷裂，因此，縱向試樣要低于橫向試樣的的斷后伸長(zhǎng)率.C 組試樣在增材過程中長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，固溶的Si 元素析出較多，固溶強(qiáng)化效果減弱，強(qiáng)度降低，塑性提高，其斷后伸長(zhǎng)率最高.3 種工藝制備的增材構(gòu)件的力學(xué)性能均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》[17]中ZL102 鑄造鋁合金(與4047 鋁合金成分相近)的規(guī)定要求，具備相應(yīng)的應(yīng)用前景.

3 結(jié)論

(1) 在不同工藝條件下，電弧增材制造4047 鋁合金直壁構(gòu)件.水冷連續(xù)增材直壁構(gòu)件宏觀形貌最優(yōu)且成形效率最高，雖然存在一定的熱積累現(xiàn)象，但已無(wú)堆覆層塌陷問題；水冷斷續(xù)工藝能夠有效降低熱積累，但增材直壁構(gòu)件兩端有塌陷產(chǎn)生.

(2) 3 種增材構(gòu)件底部微觀組織以等軸晶為主，其余各部位以柱狀晶和樹枝晶為主，增材構(gòu)件晶粒尺寸從底部至中間層部位逐漸增大.3 種工藝中，水冷斷續(xù)工藝制備的構(gòu)件晶粒尺寸最小，水冷連續(xù)工藝制備的構(gòu)件晶粒尺寸最大.

(3) 3 種工藝制備的直壁4047 鋁合金增材構(gòu)件，其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均與ZL102 鑄造鋁合金相當(dāng).