旁路等離子在航天用軸結(jié)構(gòu)增材修復(fù)中的應(yīng)用

趙慧慧1， 尹晨豪， 封小松1， 林志成

(1.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245；2.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

0 前言

作為集光、機(jī)、電、計算機(jī)、數(shù)控及新材料于一體的先進(jìn)制造技術(shù)，增材制造(3D 打印)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工與武器裝備、汽車、船舶等眾多領(lǐng)域[1-3]。增材制造技術(shù)為高性能或超常性能構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了有效的途徑，同時該技術(shù)更能大幅度縮短生產(chǎn)周期、降低制造成本、節(jié)省材料消耗和加工制造費(fèi)用。這些優(yōu)勢，使得增材制造技術(shù)為制造業(yè)的變革提供了可能，在重大武器裝備的研制、生產(chǎn)和使用維護(hù)等方面，都有巨大應(yīng)用價值和廣闊應(yīng)用前景[4-5]。

等離子弧由于電弧的壓縮效應(yīng)，電弧束流直徑小、能量密度高、熱影響區(qū)小，是一種精密的焊接電弧[6-8]。采用這種電弧可實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的精密電弧增材制造，一方面，沉積件由致密的焊道金屬組成，綜合力學(xué)性能好[9-13]；另一方面，等離子弧高速沉積極大提高成形效率；再者，電弧較為集中，沉積件的尺寸與設(shè)計尺寸之間的偏差較小，減少了后續(xù)的機(jī)加工工作量，并提髙了材料的利用率[14]。等離子弧熱源在金屬件的快速沉積成形中展現(xiàn)了極大的技術(shù)優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景[15-17]。

文中以航天用軸結(jié)構(gòu)為研究對象，采用旁路熱絲等離子弧增材制造技術(shù)[18]，以同成分的1.2 mm直徑的H08Mn2Si焊絲作為填充材料，對其進(jìn)行增材修復(fù)應(yīng)用試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用航天用軸結(jié)構(gòu)材料作為母材，選用同成分的1.2 mm直徑的H08Mn2Si焊絲作為填充材料，材料化學(xué)成分見表1。

表1 材料化學(xué)成分組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

文中采用旁路熱絲等離子增材制造新方法，其原理如圖1所示。絲材幾乎垂直送入到等離子電弧的中心，分流部分等離子弧電流，在提高焊絲熔化效率的同時，降低了母材的熱輸入。該方法送絲速度和熱絲電流(分流電流)獨(dú)立可調(diào)，可在任意工件電流(主路電流)下實(shí)現(xiàn)焊絲的短路液橋、射滴和射流等過渡方式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)對增材成形精度的有效控制。試驗(yàn)的主要工藝參數(shù)見表2。

圖1 旁路熱絲等離子電弧增材原理

表2 增材制造的工藝參數(shù)

主路電流Im/A旁路電流Ip/A焊接速度v/(m·min-1)送絲速度vs/(m·min-1)1071000.355.5

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 增材接頭形貌分析

圖2為對航天用軸結(jié)構(gòu)的修復(fù)效果圖，可以看出，通過旁路熱絲等離子電弧增材制造技術(shù)，完成了對齒條的修復(fù)，其外形規(guī)則平整，通過簡單的銑削加工，可以得到滿足工作尺寸要求的齒條。

圖2 增材修復(fù)效果

增材過程中，熔滴過渡的方式為橋接過渡，如圖3所示，焊絲在等離子電弧內(nèi)熔化后，熔滴直接與熔池接觸，熔滴與熔池的表面張力相互抵消，此時熔滴在重力、等離子流力和表面張力的作用下形成金屬液橋，熔融金屬沿著金屬液橋穩(wěn)定地流入熔池，熔池處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此焊道成形穩(wěn)定，表面光滑。為了使增材結(jié)構(gòu)滿足尺寸需求，對該結(jié)構(gòu)的增材熔覆了三層，每層三道，每道間距4 mm，采用了相同的工藝參數(shù)(見表3)，道間溫度控制在300 ℃左右，圖4為增材結(jié)構(gòu)的宏觀截面形貌，可以看出，增材接頭成形良好，未發(fā)現(xiàn)熔合、氣孔、裂紋等焊接缺陷。

圖3 熔滴過渡圖像

表3 力學(xué)性能計算結(jié)果

圖4 增材結(jié)構(gòu)接頭形貌

分別對道間溫度為200 ℃，250 ℃，300 ℃時，進(jìn)行了增材修復(fù)試驗(yàn)，第一道熔覆前采用電阻爐對母材加熱達(dá)到預(yù)定溫度，在一道熔覆完成后使其在空氣中自然冷卻，利用測溫儀監(jiān)控溫度降低至預(yù)定溫度后進(jìn)行下一道熔覆，以此來達(dá)到控制道間溫度的目的。分別對不同道間溫度下增材結(jié)構(gòu)的硬度進(jìn)行了測試，其硬度分布均勻，熔覆層中間段的平均硬度分別為289.01 HV，344.71 HV，380.23 HV，增材結(jié)構(gòu)的硬度均高于母材硬度，滿足結(jié)構(gòu)件的使用需求。結(jié)果表明，增材結(jié)構(gòu)的硬度隨著道間溫度的增加而增加，不同道間溫度時，熔覆層的顯微組織均由塊狀鐵素體和珠光體組成，珠光體呈帶狀分布在鐵素體晶界上，隨著道間溫度的增大，熔池冷卻時間增長，晶粒二次長大較為明顯，晶粒相對粗大，同時珠光體含量隨之減小，不同道間溫度熔覆層顯微組織如圖5所示。

2.2 微觀組織特征

圖6為增材區(qū)域與母材熔合區(qū)的顯微觀測，可以看出，有明顯的區(qū)域分層現(xiàn)象，進(jìn)一步采用高倍鏡觀察各分層區(qū)域組織，發(fā)現(xiàn)從上到下鐵素體含量增加，珠光體含量減少，且晶粒尺寸變大。靠近增材組織的區(qū)域相對細(xì)小，尤其是熔合區(qū)的組織晶粒，為細(xì)小的珠光體組織。而熱影響區(qū)的組織明顯粗大，這是由于電弧增材過程中溫度較高，且對原有沉積層不斷加熱、冷卻，并起到保溫作用，這對改性起到關(guān)鍵作用，使得材料得到充分淬透和回火，可以解決大型鑄件的不易淬透、宏觀偏析、長度和寬度性能不一等缺陷，從而使得該區(qū)域的組織晶粒粗大。

圖5 不同道間溫度熔覆層顯微組織

圖6 增材區(qū)域顯微組織

2.3 斷裂分析

圖7為對熔覆層上橫向和縱向各取3個拉伸試樣，測其平均抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的曲線。通過抗拉強(qiáng)度描述材料的強(qiáng)度，通過斷面收縮率表征材料的塑性。由表3可以看出，材料的抗拉強(qiáng)度各方向上基本一致，略小于母材。斷面收縮率可以基本達(dá)到甚至超過母材水平，斷后伸長率略小于母材，材料塑性良好。由此可以認(rèn)為材料的強(qiáng)度性能以及塑性性能在各方向上均勻一致。

圖7 拉伸應(yīng)力-位移曲線圖

圖8為對拉伸試樣的斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)平行于堆焊方向和垂直于堆焊方向具有類似的斷口形貌。可以看出，不同方向的拉伸斷口均呈纖維狀，且存在大量韌窩，說明試樣均為韌性斷裂。

圖8 不同方向拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

(1)采用旁路熱絲等離子弧增材制造的方法，成功實(shí)現(xiàn)了對航天用軸結(jié)構(gòu)的修復(fù)應(yīng)用，可以有效解決傳統(tǒng)電弧增材方法在碳鋼增材過程中存在的效率低、電弧穩(wěn)定性差、成形精度低等問題，可實(shí)現(xiàn)高熔絲效率和橋接熔滴過渡模式，焊道成形精度高，表面光滑，可控性好，適用于電弧增材修復(fù)制造。

(2)熔覆層的顯微組織均由塊狀鐵素體和珠光體組成，珠光體呈帶狀分布在鐵素體晶界上，控制增材過程的道間溫度，可以控制熔池的冷卻速率，隨著道間溫度的增大，熔池冷卻時間增長，晶粒二次長大較為明顯，晶粒相對粗大，同時珠光體含量隨之減小，提高硬度。選擇最優(yōu)道間溫度，可以使熔覆層組織變得均勻，晶粒細(xì)化，硬度提高，進(jìn)而提高增材組織的力學(xué)性能。

(3)H08Mn2Si增材結(jié)構(gòu)試樣的抗拉強(qiáng)度可達(dá)740 MPa以上，基本達(dá)到與母材等強(qiáng)，增材結(jié)構(gòu)內(nèi)部無各向異性，拉伸斷裂發(fā)生在母材區(qū)，焊縫的強(qiáng)度高于母材，斷口掃描呈纖維狀，且出現(xiàn)大量韌窩，為韌性斷裂；熔覆層區(qū)域硬度略高于母材區(qū)，熔合區(qū)的組織晶粒，為細(xì)小的珠光體組織，硬度最高，而熱影響區(qū)的組織由于電弧增材過程中的熱輸入給原有沉積層不斷加熱并冷卻，同時起到保溫作用，使得材料得到充分淬透和回火，從而使得該區(qū)域的組織鐵素體含量增加，珠光體含量減少，晶粒尺寸變大，硬度降低。