電弧熔絲增材制造節鎳不銹鋼塊體缺陷的成因分析及控制方法

武鵬博，徐鍇，劉孔豐，孫徠博，周珍珍，馮家瑋，方乃文，江來珠

1.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

2.福建青拓特鋼技術研究有限公司 福建寧德 355006

1 序言

增材制造（Additive Manufacturing，AM）是一種通過CAD軟件進行設計，然后采用材料逐層累加的方法實現零部件靈活制造的先進技術，與傳統的制造手段（機械加工等）相比，是一種“自下而上”材料累加的制造技術[1]。該技術以其高材料利用率、高自由度和高度柔性化制造等特點，在復雜結構和功能零件的批量制造方面引起了研究人員的廣泛關注，尤其在直接成形金屬零件方面具有獨特的優勢，可有效打破復雜制件的傳統制造方式，極大地簡化復雜生產流程，變為從設計到增材制造的短流程模式，二者具體的對比結果如圖1所示[2]。

圖1 金屬增材制造技術與傳統制造技術的對比

電弧熔絲增材制造技術作為增材制造技術中的一種[3]，采用逐層熔覆原理，在程序控制下，通過添加焊絲、逐層熔化焊絲實現沉積，根據三維數字模型，使金屬零部件以線-面-體的方式逐漸成形的先進增材制造技術。其具有材料利用率高、沉積效率高、無需密閉真空腔和設備制造成本低等特點，在大規格金屬結構件制造中具有廣闊的應用前景[4]。

電弧熔絲增材制造對不同材料在不同工藝下成形的制件質量也存在較大的差異，與實驗室階段的薄壁墻沉積相比，塊體的沉積更接近實際工程需求，但也更加復雜，涉及的熱場、應力場、流場等相互干涉的因素更多，因此需要對成形過程進行更為嚴格的控制[5]。不銹鋼作為具有良好綜合力學性能且能滿足局部耐腐蝕要求的結構材料，在眾多領域得到了廣泛的應用[6-8]，但由于不銹鋼成分組成等原因，與傳統碳素鋼相比，在電弧熔絲增材制造過程中更容易出現變形開裂、氣孔、氧化和未熔合等冶金缺陷[9，10]。為了解決這一問題，本文針對電弧熔絲增材制造過程中08Cr19MnNi3Cu2N低鎳高氮奧氏體不銹鋼塊體沉積過程中出現的各類缺陷進行了分析，并結合實際情況對缺陷的控制和工藝的改進提出了部分建議，以便為大型復雜不銹鋼構件的沉積質量控制及工藝優化提供幫助。

2 試驗材料與方法

本文以直徑為1.2mm的08Cr19MnNi3Cu2N低鎳高氮奧氏體不銹鋼焊絲為原材料，選用321節鎳不銹鋼板為基板（規格為200mm×400mm×40mm），絲材與基板的化學成分見表1。成形過程中選用Fronius TPS4000 CMT焊機進行沉積，保護氣體為2.5%CO2+97.5%Ar的混合氣體，流量為25L/min，干伸長保持12mm不變，兩次沉積過程中的層間停留時間為60s，以降低層間熱影響和熱積累。采用運行速度0.30m/min、送絲速度5.0m/min和搭接量為0.738W（W為熔寬）的工藝參數[11]，通過首尾相連的沉積策略進行塊體的電弧熔絲增材制造。這種沉積方式可以有效地彌補熱源起弧和收弧時所引起的沉積不均勻，使起始部分和結束部分的厚度和寬度與中心部分的厚度和寬度相近，避免不同位置存在較大的偏差[12]。按以上的工藝參數進行沉積得到不銹鋼塊體后，對塊體進行分解分析，利用OM（Optical Microscope）和SEM（Scanning Electron Microscope）對塊體的橫截面進行觀察，儀器型號分別為OLYMPUS-GX51和ZEISS-EVO18。

表1 絲材和基板化學成分（質量分數） （%）

3 試驗結果與分析

3.1 塊體整體沉積情況

成形的不銹鋼塊體尺寸為200m m×70m m× 50mm，具體形貌如圖2所示。從圖2可見，成形后的塊體整體較為均勻，表面搭接情況良好，表面質量較好，未發現由于塊體沉積熱積累造成的局部不均勻或發現明顯的變形和開裂現象。為了更細致地分析塊體內部的缺陷情況，分別將塊體沿橫截面和縱截面進行分解和分析。

圖2 不銹鋼塊體表面及整體形貌

3.2 塊體缺陷的主要類型

在塊體的橫截面位置進行拋光和腐蝕以便更好地辨別層間的位置關系，進而實現對各類缺陷進行觀察和分析，塊體的整體宏觀形貌如圖3所示。由圖3可見，塊體內部存在一定數量的肉眼可見缺陷，缺陷的類型、大小、形狀和位置不一（可能與沉積過程中沉積層的形貌不穩定有關），以孔洞類型的缺陷為主。該類缺陷多存在于相鄰兩道次進行搭接的底部位置，但并不是所有這一位置都存在缺陷，說明在該工藝下解決的應是沉積層尺寸和形狀穩定性的問題，之所以在塊體的沉積過程中容易發生尺寸和形狀的波動，是因為不同道次間即使有一定的層間停留時間來降低塊體的熱積累，也并不能完全消除熱積累和層間熱影響對熔池溫度場作用的差異 化[13，14]。

圖3 不銹鋼塊體橫截面缺陷形貌

為了進一步證實這一現象，沿著沉積方向取塊體的縱截面進行觀察，具體形貌如圖4所示。由圖4可見，這些孔洞缺陷在縱向上基本上呈現出連續的直線貫穿狀態，說明在橫截面觀察到的孔洞或未搭接缺陷在縱向上依然保持著這一狀態，但由于沉積過程中多種因素影響而造成的波動導致在某些局部會表現出斷續的狀態。

圖4 不銹鋼塊體縱截面缺陷形貌

針對塊體內觀察到的缺陷進行了分類，具體的類型及典型形貌如下。

類型一：相鄰道次搭接底部填充不足造成的底部缺陷如圖5、圖6所示。

圖5 塊體2～3層間底部缺陷形貌

圖6 塊體1層與基板間底部缺陷形貌

類型二：搭接過程中沉積層波動導致搭接距離過遠而產生的未搭接缺陷如圖7、圖8所示。

圖7 塊狀形態未搭接缺陷形貌

圖8 弧形未搭接缺陷形貌

類型三：層間未熔合導致直線形缺陷如圖9、圖10所示。

圖9 側向層間直線形未熔合

圖10 塊體內部層間直線型形未熔合

類型四：層間道次連接錯位如圖11、圖12所示。

圖11 塊體底部層間連接錯位形貌

圖12 塊體頂部層間連接錯位形貌

3.3 缺陷成因分析及改進措施

基于以上塊體缺陷的觀察結果，對不同類型缺陷的形成原因進行了分析，并提出了一些工藝優化和改進的建議。

（1）搭接不當導致缺陷 此次塊體的沉積是在搭接量設定為0.738W的條件下進行的，從缺陷類型一中可以明顯地看到，在此搭接量的情況下，相鄰兩道次在搭接時，搭接底部位置由于離重熔區距離最遠，導致液態金屬在流動到該位置之前就已經發生了凝固，進而沒能實現良好的搭接效果，形成了缺陷（見圖5和圖6）。但有一個特別的現象，即在進行第一層沉積時（見圖6中的第1～第3道次），搭接效果較好，并未發生明顯的未搭接情況，而在后續的搭接過程中，在搭接量相同的情況下，卻出現了未搭接的現象（見圖6中的第4道次）。產生這樣的結果可能是由于沉積層形貌不穩定或基板受沉積熱影響的作用，使后續熔池熔化凝固條件發生變化造成的。針對這一情況，建議后續適當地縮小搭接量（雖然搭接量的選擇是依據參考文獻[11]中給出的最優搭接量，但可能由于試驗條件的差異會有所變化），但不應進行過大的調整，否則容易出現過搭接等問題。

對因搭接不當而導致的缺陷進行了分析和總結，具體結果如圖13所示。從圖13中可見，此類缺陷尺寸較大（多數達到毫米級別），基本上肉眼可見，形貌上主要有兩種形狀，一種是距離過遠未搭接導致的多邊形缺陷，另一種為側向弧形未實現搭接。由搭接量導致的這類缺陷尺寸最大，對之間的整體性能影響也最大。但此類缺陷的控制存在一定的不確定性，主要是受熱源和周圍環境的影響。每一沉積層的形貌在成形過程中可能會存在一定的波動，原有設定的參數一旦因為尺寸波動而導致此類缺陷發生，則在后續的塊體沉積過程中很難再防止此類缺陷的出現。因此，這類缺陷的控制主要應從設備和成形條件的穩定性入手，這一因素是實現塊體整體質量把控的關鍵。

圖13 拋光態下未搭接缺陷形貌

（2）液態金屬流動性不足導致缺陷 由金屬流動性不足導致的缺陷具體形貌如圖14所示。由圖14可看出，由金屬流動性不足導致的缺陷基本都呈現出三角形，位于兩道次搭接的底部位置。造成這一現象主要是由于搭接過程中，液態金屬距離這一位置最遠，且在搭接重熔過程中，對前一道次的重熔會消耗大量的能量，進而導致液態金屬在流向最遠位置（即搭接的底部位置）時未能實現完全搭接就已經發生了凝固，產生了類似的缺陷，這一過程如圖15所示。

圖14 金屬流動性不足造成的缺陷

圖15 搭接底部缺陷形成過程示意

如前所述，由于搭接不當導致的缺陷也與金屬流動性差有關，所以單純地縮小搭接量并不能完全消除這種缺陷。主要是由于與傳統碳素鋼相比，不銹鋼在高溫熔融狀態下的液體流動性較差，即使縮小搭接量達到過搭接的情況下也并不能完全解決這一問題，因此應考慮通過適當地增加熱輸入量來提高熔池溫度，進而促進液態金屬的流動，以改善這種情況。此外，在混合保護氣體中添加適當的CO2有助于一定程度上提高液態金屬的流動性，對于這類缺陷的改善應該也有一定的幫助[15]。另外，值得關注的是在這類缺陷中發現了大量的氧化現象（見圖14中圈住位置），尤其是在這類三角形缺陷的端部經常能夠發現一些直線形缺陷，內部存在一定的氧化物，相關的分析會在后面的內容中進行闡述。

（3）搭接位置不當導致缺陷 在沉積進行到一定程度時發現，前一層沉積完成后，當僅實施60s的層間停留時間即進行下一層第一道次的沉積時，如果只改變縱向的高度，而不改變橫縱向位置，則由于熱積累較高，會使熔池內液態金屬的流動性大幅提高，使其鋪展到前一沉積層的側面（見圖9、圖11），導致液態金屬的流淌過于充分，因而影響此道次的熔池形貌，造成在第二道次與其進行搭接時形貌發生變化，這種變化會逐漸積累進而對整個層內的沉積層產生影響。針對這一問題，后續需要通過增加層間等待時間或加速輔助冷卻等手段來解決該問題[16-19]。

（4）沉積層氧化導致缺陷 在對缺陷的形貌進行分析的過程中發現，某些缺陷的產生用搭接工藝和液態金屬的流動性很難解釋，如沉積層底部直線形未熔合缺陷（見圖10）以及弧形未搭接等缺陷（見圖8）。對于直線形未熔合缺陷，正常液態金屬熔化后應該與前一層有很好的熔合，但這種直線形未熔合缺陷呈現出明顯的層間阻隔，無法實現熔融金屬與前一沉積層的有效冶金熔合，通過分析認為，這一現象可能是氧化物所導致，進而形成了這種直線形缺陷。

因此，針對氧化物導致的缺陷進行分析和總結，結果表明，不銹鋼塊體內部確有很多缺陷，內部存在大量的氧化物（見圖16），這與圖14中提到的三角形缺陷端部的小裂紋內部情況相同。與此同時，有些氧化物明顯是因在沉積過程中被卷入熔池內部而形成了缺陷，這些氧化物可能來源于前一層或前一道次沉積后形成的，且在后續沉積之前未能清理徹底，在沉積時將其卷入到了熔池內部產生缺陷。為此，在后面對塊體進行沉積的過程中應著重從兩個方面進行控制：一是提高沉積過程中的惰性氣體保護，避免沉積層在高溫沉積時產生大量的氧化物。此外，沉積后的塊體由于熱積累較高，在這個階段也會產生一定的氧化，所以應盡量創造良好的氣體保護環境來防止氧化。二是在每一道次沉積前應對表面進行全面徹底的清理，防止因引入氧化物而形成夾雜。

圖16 拋光態氧化物導致缺陷形貌

（5）層間結束道次控制不當導致的缺陷 眾所周知，在電弧熔絲增材制造過程中，每一層最后一道次的成形形貌最不規則也最難控制，因為這一層中其他的沉積層在進行搭接時形貌會存在一定的波動，這種波動會隨著沉積道次的增加而逐漸積累，在沉積最后一道次時，沉積的位置與形貌可能與前一層的第一道無法實現特別好的匹配，有時會面臨沉積面是一個近似斜面的情況（見圖6和圖12），此時不可避免地會導致液態金屬向側向流動，這種流動會隨著沉積熱積累效果的增加而更加惡化。此外，作為下一層第一道次沉積時的接觸面，不規則的形貌也會在一定程度上影響后續的沉積形貌和沉積質量。針對這一問題，應從以下3個方面進行控制：第一，應對沉積工藝穩定性進行嚴格的控制，只有每一道次的成形形貌均勻規則，才能保證一層結束道次沉積時的位置和形貌能與前一層的第一道次進行良好的冶金結合；第二，在塊體的實際沉積過程中，應根據實際的沉積情況對每層最后一道次的成形工藝進行微調，進而實現對塊體整體沉積形貌的控制，為下一層沉積提供相對理想的基礎條件；第三，在塊體的沉積過程中應對熱積累進行有效的控制，這樣可以防止由于溫度過高而導致每層最后一道次沉積時液態金屬的過流動，達到避免熔池發生側向流動的問題。

（6）沉積層內部氮化物 在不銹鋼塊體的沉積過程中，除了觀察到以上的各類缺陷外，還在沉積層內部發現了大量的氮化物，具體形貌如圖17所示。這些氮化物的尺寸基本都在0.5～1μm，并呈現出帶棱角狀的多邊形形態。眾所周知，這類氮化物硬度高、不易變形、成彌散狀分布，隨著氮化物數量的增加，材料的韌性和耐點蝕性能會顯著下降，脆性會明顯增加，帶有棱角狀的氮化物會成為鋼材脆性穿晶斷裂的裂紋源[20]。此外，氮化物的析出還會大幅降低基體中的氮含量，使材料整體的性能降低[21]。這些氮化物的形成可能是由于沉積過程中多次高溫熱循環而導致的氮化物析出，總的來講，氮化物作為脆性相，且與基體的結合能力較差，它的存在對材料的整體性能較為不利，且很難通過熱處理的方式消除，因此應對不銹鋼塊體沉積過程中的成形工藝進行深入的研究，避免此類氮化物的 出現。

圖17 沉積層內部氮化物的形貌及分布

4 結束語

1）在利用電弧熔絲沉積低鎳高氮奧氏體不銹鋼時，內部存在一定數量的缺陷，且以未搭接的孔洞缺陷為主，同時也存在由于氧化物和搭接位置不當所導致的缺陷。

2）在對08Cr19MnNi3Cu2N低鎳高氮奧氏體不銹鋼進行沉積時，應主要從層間熱積累（控制合理的液態金屬流動性）、成形工藝參數穩定性、層間氧化、層間末道次工藝微調和層間熱循環等方面對缺陷進行控制，以避免塊體內部缺陷的產生。

3）對不銹鋼塊體缺陷的控制有助于提高電弧熔絲增材制造成形大型復雜不銹鋼制件的質量和性能，具有積極的意義，研究人員應在這方面開展更為深入的分析和討論。