不同沉積路徑冷金屬過渡電弧增材制造H13鋼成形件的顯微組織和硬度

李旭鋒，林 健，夏志東，韓文濤，雷永平，王招陽

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100124；2.首都航天機械有限公司，北京 100076)

0 引 言

電弧增材制造(wire-arc additive manufacturing, WAAM)技術(shù)是一種以電弧為集中熱源，焊絲為填充材料，采用逐層堆積的方式按需打印成形零件的技術(shù)，該技術(shù)具有熱輸入高、焊絲填充速度快、生產(chǎn)效率高、所需設(shè)備和原料成本低以及打印成形件的致密度高等優(yōu)點，在航空航天、石化、發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。根據(jù)熱源性質(zhì)不同，電弧增材制造技術(shù)常用的焊接方法有熔化極氣體保護焊、非熔化極氣體保護焊、等離子弧焊等[4]。冷金屬過渡(cold metal transfer, CMT)焊作為熔化極氣體保護焊的一種，具有熱輸入低、飛濺少、成形質(zhì)量好等優(yōu)點，十分適用于電弧增材制造。H13合金鋼具有優(yōu)良的紅硬性、沖擊韌性和熱疲勞性能，廣泛應(yīng)用于制作塑料注射成形模具、鑄造和鍛造模具等[5]。利用增材制造技術(shù)可以一次整體成形制造出具有隨形冷卻水道特定功能的H13鋼模具，而采用傳統(tǒng)的機加工方法則難以制造出該模具。王庭庭[6]通過調(diào)整焊接電流、焊接速度等參數(shù)，消除了電弧增材制造過程中H13鋼件焊道間根部未熔合缺陷。白濤等[7]采用CMT電弧增材制造技術(shù)制備5層15道結(jié)構(gòu)的H13鋼塊體，研究了塊體的表面質(zhì)量、顯微組織和力學(xué)性能。在電弧增材制造過程中，由于熱源的往復(fù)運動，同一位置經(jīng)歷周期性的加熱和冷卻作用，成形件內(nèi)部具有不均勻的顯微組織，導(dǎo)致成形件力學(xué)性能各向異性[8-10]。徐文虎等[11]研究了電弧擺動與2道多層2種不同電弧軌跡下，電弧增材制造Inconel 625合金厚壁件的顯微組織和性能，發(fā)現(xiàn)2道多層軌跡下的枝晶間距更小，成形件的性能更好。劉黎明等[12]研究了不同路徑下電弧增材制造316不銹鋼件的性能差異。GE等[13]研究了2Cr13鋼CMT電弧增材制造過程的熱歷程-組織演變的內(nèi)在關(guān)系，提出增材制造原位微熱處理作用會誘發(fā)大量納米級沉淀相析出。陳克選等[14]對水冷條件下的電弧增材制造溫度場展開數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)冷卻條件有助于縮小基板高溫區(qū)域，減小熔池體積。徐富家等[15]研究不同沉積路徑下等離子弧快速成形Inconel 625合金沉積態(tài)組織的生長機制，發(fā)現(xiàn)不同熱輸入和散熱方向會導(dǎo)致沉積過程中成形件內(nèi)部形成不同溫度梯度，從而影響組織生長的延續(xù)性，正反交替路徑下成形件的成形質(zhì)量和力學(xué)性能最佳。可見沉積路徑影響電弧增材制造成形件的組織與性能，但是目前未見有關(guān)不同沉積路徑下CMT電弧增材制造H13鋼成形件組織和性能的報道。為此，作者基于熱-彈塑性有限元法模擬分析了同向和雙向沉積5層單道和單層5道CMT電弧增材制造H13合金鋼的熱歷程，試驗研究了不同沉積路徑下成形件的顯微組織和硬度。

1 試樣制備與試驗方法

基板和填充焊絲材料均為H13模具鋼，焊絲直徑為1.2 mm，焊絲和基板的化學(xué)成分如表1所示。沉積前用角磨機打磨基板表面，除去表面氧化層。采用機器人輔助冷金屬過渡焊接技術(shù)進行電弧增材制造，其中Fronius CPS 5000 CMT型焊槍固定在6軸 ABB IRB1600型機器人上，按照同向和雙向路徑分別沉積5層單道和單層5道成形件，具體沉積路徑如圖1所示，沉積工藝參數(shù)：沉積電壓12.7 V，沉積電流118 A，沉積速度150 mm·min-1，送絲速度8 m·min-1，弧長修正系數(shù)-7%，焊絲尖端距沉積表面距離4.1 mm，相鄰沉積道之間停留時間60 s，沉積長度120 mm。在沉積過程中選用保護氣體為體積分數(shù)97.5% Ar+2.5% CO2，流量為20 L·min-1。在沉積過程中，用LR8400-21型熱電偶溫度數(shù)據(jù)記錄儀對圖2中黑點所示位置的熱循環(huán)溫度進行實時采集，測溫范圍為0～1 200 ℃，數(shù)據(jù)記錄時間間隔為0.2 s。

表1 焊絲和基板的化學(xué)成分

圖1 5層單道和單層5道同向和雙向沉積路徑示意Fig.1 Five-layer single-pass (a-b) and single-layer five-pass (c-d) codirection (a, c) and bidirection (b, d) deposition path diagram

圖2 沉積過程中溫度測試點位置示意Fig.2 Diagram of temperature measuring position during deposition: (a) single-layer five-pass deposition and (b) five-layer single- pass deposition

圖3 不同成形件上金相試樣的取樣位置示意Fig.3 Sampling position diagram of metallographic specimen in different formed parts: (a) five-layer single-pass formed part and (b) single-layer five-pass formed part

2 有限元模擬

采用ABAQUS有限元分析軟件對不同路徑下的沉積過程進行熱-彈塑性有限元分析，以熱力順序耦合的方法對沉積過程的熱循環(huán)進行模擬。由于在沉積過程中熱源具有瞬時性和集中性，導(dǎo)致沉積層及熱影響區(qū)存在較高的溫度和應(yīng)力梯度，因此在沉積層及其附近采用加密網(wǎng)格，網(wǎng)格的最小尺寸為0.6 mm。5層單道模型的單元總數(shù)為16 728，節(jié)點總數(shù)為20 461；單層5道模型的單元總數(shù)為31 116，節(jié)點總數(shù)為35 440，有限元模型的具體網(wǎng)格劃分如圖4所示。計算中采用DC3D8線性傳熱單元對溫度場進行模擬，在模型中基板底部3點設(shè)置位移約束。H13合金鋼的熱物理性能參數(shù)引自文獻[16]。

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分示意Fig.4 Diagram of finite element model meshing: (a) five-layer single-pass model and (b) single-layer five-pass model

3 結(jié)果與討論

3.1 熱循環(huán)溫度

由圖5可以看出：5層單道和單層5道雙向成形件基板測溫點的測量結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，相對誤差小于10%，在試驗過程中因基板與卡具間存在熱交換，導(dǎo)致溫度模擬結(jié)果略高于測量結(jié)果；在5層單道沉積過程中，隨著沉積層高度的增加，熱源與基板間的距離變大，熱量主要通過空氣傳導(dǎo)，熱量散失速率慢，因此測量點的熱積累效應(yīng)明顯，溫度有明顯上升的趨勢；在單層5道沉積時，熱源與基板直接接觸，熱量散失速率快，熱積累效應(yīng)不明顯，溫度上升趨勢緩慢，隨著沉積過程的進行，熱積累導(dǎo)致溫度趨于穩(wěn)定。

圖5 5層單道和單層5道雙向沉積過程中基板測溫點溫度測量結(jié)果與模擬結(jié)果的對比Fig.5 Comparison of temperature measurement and simulation during five-layer single-pass (a) and single-layer five-pass (b) bidirection deposition

由圖6可以看出：模擬得到雙向沉積時第1層(道)起弧點的熱循環(huán)曲線略高于同向沉積時，這是由于同向沉積時焊槍返回起弧點的過程有助于成形件的散熱所致；2種沉積路徑下，第1層(道)起弧點處的熱循環(huán)曲線趨勢相同，均有5個溫度峰值，其中第1，3，5個峰值溫度基本重合。第2，4層雙向沉積時，熱源與前一層的運動方向相反，第1層(道)起弧點在沉積奇數(shù)層后的冷卻時間變長，導(dǎo)致沉積偶數(shù)層時該點的峰值溫度滯后于同向沉積時的峰值溫度。雙向沉積第4層(道)和第5層(道)相當于對第3層(道)中間點進行再加熱。由圖7可以看出，雙向沉積5層單道第3層中間點的峰值溫度遠大于雙向沉積單層5道第3道中間點的峰值溫度，該現(xiàn)象說明5層單道成形件中的熱累積效應(yīng)比單層5道成形件更明顯。

圖6 模擬得到5層單道第1層起弧點和單層5道第1道起弧點的熱循環(huán)曲線Fig.6 Thermal cycling curves of the first layer arc initiation point of five-layer single-pass (a) and the first pass arc initiation point of single-layer five-pass (b) by simulation

圖7 模擬得到雙向沉積5層單道第3層和單層5道第3道中間點的熱循環(huán)曲線Fig.7 Thermal cycling curves of middle point of the third layer of five-layer single-pass and the third pass of single-layer five-pass bidirection deposition by simulation

3.2 顯微組織

由圖8和圖9可以看出，成形件的顯微組織主要為致密板條狀馬氏體(M)，5層單道成形件中間位置(位置B)處存在長條塊狀鐵素體(F)。電弧的能量分布隨著偏離熔池中心距離增加呈指數(shù)衰減[2]，單道電弧的中心溫度遠遠高于邊界位置，熱量從熔池中心向邊緣擴散，導(dǎo)致熔池中存在較大的溫度梯度，因此馬氏體的生長方向主要與溫度梯度方向一致。沉積層中不同位置的溫度梯度方向不同，馬氏體的生長方向也顯著不同。2種沉積路徑下的熱輸入相同，所以成形件的顯微組織基本相同。由于5層單道成形件的中間點的峰值溫度高于單層5道成形件的峰值溫度，即5層單道成形件在沉積過程中經(jīng)歷的平均溫度更高，因此其馬氏體組織較粗大。

圖8 不同路徑沉積5層單道成形件中部區(qū)域不同位置的顯微組織Fig.8 Microstructures of different positions of middle part in five-layer single-pass formed part deposited in different paths: (a) codirection deposition, location A; (b) codirection deposition, location B; (c) codirection deposition, location C; (d) bidirection deposition, location A; (e) bidirection deposition, location B and (f) bidirection deposition, location C

圖9 不同路徑沉積單層5道成形件中部區(qū)域不同位置的顯微組織Fig.9 Microstructures of different positions of middle part in single-layer five-pass formed part deposited in different paths: (a) codirection deposition, location D; (b) codirection deposition, location E; (c) codirection deposition, location F; (d) bidirection deposition, location D; (e) bidirection deposition, location E and (f) bidirection deposition, location F

3.3 硬 度

由圖10可知，同向沉積5層單道成形件在同一高度上的硬度略高于雙向沉積5層單道成形件，其平均硬度分別為435，419 HV。結(jié)合熱循環(huán)曲線分析，可能是因為雙向沉積過程中的熱積累更嚴重，造成成形件組織中鐵素體含量增加，因此雙向沉積5層單道成形件的平均硬度較低。同向沉積和雙向沉積單層5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，平均硬度分別為442，441 HV。與單層5道成形件相比，5層單道成形件的平均硬度略低，這與5層單道成形件組織中存在的硬度較低的大尺寸鐵素體有關(guān)。

4 結(jié) 論

(1) 同向和雙向路徑沉積得到5層單道和單層5道成形件的熱歷程基本一致，熱循環(huán)曲線變化規(guī)律相似；雙向沉積第1層(道)起弧點的溫度略高于同向沉積，雙向沉積5層單道成形件第3層中間點的峰值溫度遠高于雙向沉積單層5道成形件第3道中間點，5層單道成形件中的熱累積效應(yīng)更明顯。

(2) 2種路徑沉積得到的5層單道和單層5道成形件的顯微組織均主要為致密的板條狀馬氏體，但5層單道成形件的馬氏體組織較粗大；在溫度梯度的影響下，成形件不同區(qū)域的馬氏體生長方向不同。

(3) 同向沉積5層單道成形件在同一高度上的硬度略高于雙向沉積5層單道成形件，同向沉積和雙向沉積單層5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同，5層單道成形件的平均硬度略低于單層5道成形件，這與組織中存在的硬度較低的大尺寸鐵素體有關(guān)。