等離子弧增材交織結(jié)構(gòu)的組織與力學(xué)性能

周凡，顧介仁,2，王克鴻

（1.南京理工大學(xué)，受控電弧智能增材技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094；2.北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072）

0 前言

金屬增材制造由于其加工周期短，對(duì)材料有較高的使用率，成本較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前在航空、鐵路、海洋、軍事等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注[1-3]。其中電弧熔絲增材制造技術(shù)通過電弧熔化絲材，逐層堆疊以形成復(fù)雜零件，非常適合制造大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)零件，得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。

鋼作為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，但目前傳統(tǒng)的均質(zhì)材料已經(jīng)無(wú)法滿足，陷入瓶頸，異質(zhì)材料組合將會(huì)擁有廣闊的前景[7-8]。郭順等人[9]采用等離子增材18Ni 高強(qiáng)鋼和高氮奧氏體不銹鋼時(shí)發(fā)現(xiàn)，顯微組織主要為高強(qiáng)鋼側(cè)的板條狀馬氏體和高氮鋼側(cè)的奧氏體等軸晶及樹枝晶。Leicher 等人[10]采用高強(qiáng)度鐵素體/馬氏體（25%）和奧氏體（75%）材料交織增材，該結(jié)構(gòu)件是軟材結(jié)合了高強(qiáng)度的硬材，因此具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。徐俊強(qiáng)等人[11]發(fā)現(xiàn)異種金屬交織方式的改變能夠明顯影響性能，不銹鋼-高強(qiáng)鋼的異質(zhì)增材可以在強(qiáng)度降低較少的情況下明顯改善其沖擊韌性，獲得“強(qiáng)-韌”材料。

基于以上不同鋼的異質(zhì)交織試驗(yàn)結(jié)果，文中采用貝氏體鋼和不銹鋼進(jìn)行等離子增材交織構(gòu)件，并研究了貝氏體鋼-不銹鋼異種金屬交織結(jié)構(gòu)的微觀組織及其力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)方法

增材試驗(yàn)所用基板為400 mm × 250 mm × 18 mm的貝氏體鋼，所使用的焊絲分別為直徑 ?1.0 mm 的316L 不 銹鋼 焊 絲（絲 材1）和 ?1.2 mm 的ER80YM 貝氏體鋼焊絲（絲材2），材料化學(xué)成分見表1。

表1 基板與焊絲化學(xué)成分組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試驗(yàn)采用的等離子弧增材制造系統(tǒng)由日本安川（YASKAWA）機(jī)器人、米加尼克等離子焊機(jī)、PWM 300等離子焊槍及送氣送絲裝置組成。增材工藝參數(shù)如下：增材電流170 A，增材速度12 cm/min，不銹鋼送絲速度1.80 m/min，貝氏體鋼送絲速度1.46 m/min。增材過程加擺，擺寬為5 mm，擺長(zhǎng)為2.5 mm。增材過程選用的保護(hù)氣體為氬氣，氣體流量19 L/min，等離子為氬氣，氣體流量0.8 L/min，控制層間溫度為200 ℃以下。使用此工藝參數(shù)增材一個(gè)長(zhǎng)160 mm，寬120 mm，高42 mm 的構(gòu)件，如圖1 所示。圖1a 為異種金屬交織結(jié)構(gòu)的路徑示意圖。其中單道長(zhǎng)度為80 mm，不銹鋼（綠色）在其中占比15 mm，平均分為兩段，中間插入5 mm 的貝氏體鋼（灰色）；同一層內(nèi)部道間偏移量為6.5 mm，3 道作為一個(gè)循環(huán)，外面有不銹鋼進(jìn)行包裹，相當(dāng)于很多個(gè)田字結(jié)構(gòu)堆疊，整體比例為1∶1，整體形狀如圖1b 所示。

圖1 雙金屬交織結(jié)構(gòu)示意圖

增材后的交織構(gòu)件按照選定好的位置進(jìn)行截取拉伸試樣、金相試樣和沖擊試樣。其中金相試樣打磨拋光后用2%的硝酸酒精和王水分別進(jìn)行腐蝕，然后采用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣表面顯微組織進(jìn)行觀察，XRD 定量分析組織成分，SEM 進(jìn)行斷裂韌口觀察。

采用拉伸試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)室溫下金屬交織構(gòu)件的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，拉伸試樣如圖2 所示，拉伸試樣按照不銹鋼的不同比例進(jìn)行選取，每個(gè)比例拉伸試樣3 個(gè)方向各取兩個(gè)。采用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試交織構(gòu)件的沖擊韌性，試樣尺寸如圖2 所示，沖擊缺口選取位置分別位于不銹鋼處和貝氏體鋼處，測(cè)試溫度分別為常溫和-40 ℃低溫。

圖2 拉伸試樣及沖擊試樣示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 交織結(jié)構(gòu)形貌分析

結(jié)構(gòu)件實(shí)物圖如圖3 所示，構(gòu)件表面沒有明顯的塌陷、開裂等成形問題，側(cè)面部分沒有塌陷，表面也未出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，成形良好，經(jīng)過X 射線檢查后發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)件層與層之間結(jié)合良好，內(nèi)部無(wú)缺陷。

圖3 結(jié)構(gòu)件實(shí)物圖

2.2 微觀組織分析

圖4 為金屬異質(zhì)異構(gòu)各區(qū)域組織形貌。從圖4a可以看出，貝氏體鋼區(qū)域組織主要為粒狀貝氏體（GB）、板條狀貝氏體（LB）、殘余奧氏體組成（RA），無(wú)碳化物析出，其中分散的GB 和平行的LB 分布在塊狀RA 中，從而產(chǎn)生出更細(xì)的薄膜狀殘余奧氏體[12-13]。從圖4b 可以看出，不銹鋼區(qū)域組織為奧氏體和鐵素體，奧氏體組織主要是柱狀樹枝晶和等軸樹枝晶。其中柱狀晶的生長(zhǎng)方向與沉積方向基本相同，但由于溫度梯度與沉積方向不是完全一致，會(huì)存在少量柱狀晶與熱流方向最為接近的方向生長(zhǎng)[14]。圖4c 和圖4d 分別為金屬層間交織與道間交織的組織形貌，其中在交織界面處存在互相過渡的重熔區(qū)，在貝氏體鋼區(qū)域主要為粒狀貝氏體組織，在不銹鋼區(qū)域主要為奧氏體組織。在道間交織處不銹鋼組織由于貝氏體鋼立刻增材在其上面，兩種材料的冷卻速度不同，導(dǎo)致不銹鋼部分冷卻速率加快，所以不銹鋼組織主要為等軸晶和細(xì)狀晶；在層間交織處，由于其上一層冷卻到200 ℃以下進(jìn)行增材第二層，貝氏體鋼對(duì)不銹鋼沒有太大影響，所以不銹鋼組織主要為少量等軸晶和粗大的樹枝晶。貝氏體鋼組織由于受到不銹鋼組織的影響[15]，抑制貝氏體鋼晶粒的長(zhǎng)大，所以交織出主要組織為粒狀貝氏體和薄膜狀的殘余奧氏體。

圖4 交織結(jié)構(gòu)各區(qū)域微觀組織形貌

由圖5 XRD 圖譜可知，波峰顯示全部為貝氏體相與奧氏體相，無(wú)碳化物析出，與上述的交織結(jié)構(gòu)微觀組織一致。

圖5 交織結(jié)構(gòu)XRD 衍射圖譜

2.3 力學(xué)性能分析

圖6 為交織增材構(gòu)件的拉伸性能，表2 為增材件中不同不銹鋼含量時(shí)的拉伸性能平均值。從表2 中能夠得出，對(duì)于“田字形”道間交織結(jié)構(gòu)，由于不銹鋼含量的不斷增加，構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度逐漸減小，斷后伸長(zhǎng)率逐漸上升。但當(dāng)含量在23%以內(nèi)時(shí)，抗拉強(qiáng)度比純電弧增材貝氏體鋼構(gòu)件[12]還要高，且斷后伸長(zhǎng)率也與純貝氏體鋼相同，主要是由于增材單層過程中由于不銹鋼立刻就搭接在貝氏體鋼上面，兩種鋼的冷卻速率不同使貝氏體鋼組織有更長(zhǎng)的保溫時(shí)間，且不銹鋼中Ni 元素會(huì)抑制貝氏體鋼組織的長(zhǎng)大[15]，故貝氏體鋼組織增多，晶粒細(xì)化，其主要組織為粒狀貝氏體；在層間沉積過程中，由于等離子熱輸入比較大，形成了不銹鋼-貝氏體鋼的重熔層，從而減少了一定量的不銹鋼，提高了材料的強(qiáng)度。由圖6 可知，其中x方向抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率比y和z方向的要高，存在著明顯的各向異性，但隨著不銹鋼含量的增材，各向異性明顯變小，不銹鋼含量達(dá)到50%時(shí)，3 個(gè)方向已經(jīng)沒有明顯差異。主要原因是不銹鋼含量低時(shí)，其拉伸試樣主要組織為貝氏體鋼，故貝氏體鋼晶粒大小對(duì)其影響比較大；同層道間增材時(shí)，與不銹鋼接觸的貝氏體鋼部分晶粒比較細(xì)小，而層間進(jìn)行增材時(shí)，由于上一層溫度已經(jīng)冷卻到200 ℃以下，故貝氏體鋼重熔區(qū)部分的晶粒尺寸稍微大一些，所以有比較大的各向異性。

圖6 結(jié)構(gòu)件抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率

表2 交織增材構(gòu)件抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率

圖7 為不銹鋼含量較低時(shí)（12%～20%）的交織構(gòu)件沿x，y兩個(gè)方向不同溫度下的沖擊吸收能量，構(gòu)件室溫下（25 ℃）整體平均沖擊吸收能量為159.25 J/cm2，在-40 ℃平均沖擊吸收能量為49.75 J/cm2。其中x方向不同溫度的平均沖擊吸收能量為185 和52.5 J/cm2，y方向不同溫度的平均沖擊吸收能量為133.5 和47 J/cm2，略小于x方向的沖擊韌性，這是因?yàn)閤方向由于重熔區(qū)部分的貝氏體晶粒尺寸比較細(xì)小，薄膜狀的殘余奧氏體分布比較多，所以沖擊韌性比較好。整體構(gòu)件的沖擊吸收能量相比于純貝氏體鋼有了很大的提高，其主要原因是交織結(jié)構(gòu)中不銹鋼具有良好的沖擊吸收能量，而且其強(qiáng)度也沒有下降很多。因此雙金屬交織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠突破傳統(tǒng)的“強(qiáng)-韌矛盾”，從而提高整體構(gòu)件的綜合力學(xué)性能。

圖7 不銹鋼含量較低時(shí)交織構(gòu)件沖擊韌性

圖8 為拉伸斷口形貌，從圖可知，宏觀形貌下，斷口呈暗灰色，明顯纖維狀，且斷裂邊緣處出現(xiàn)傾斜斷面形貌，角度約為45°，是典型的韌性斷裂；微觀形貌下，斷口表面分布大量等軸韌窩和剪切韌窩，韌窩底部有顆粒且數(shù)量較多，粒子尺寸較小，強(qiáng)度較高，說明交織增材構(gòu)件均勻性良好，有較高強(qiáng)度的同時(shí)還有良好的韌性，符合力學(xué)性能的測(cè)試。

圖8 拉伸試樣斷口形貌

3 結(jié)論

（1）通過不銹鋼-貝氏體鋼異種焊絲實(shí)現(xiàn)了等離子增材雙金屬交織結(jié)構(gòu)增材過程，結(jié)構(gòu)樣件整體無(wú)缺陷，成形良好。

（2）交織結(jié)構(gòu)組織在貝氏體鋼區(qū)域?yàn)樨愂象w和殘余奧氏體，不銹鋼區(qū)域?yàn)殍F素體和奧氏體，交界處存在重熔區(qū)，重熔區(qū)晶粒細(xì)小。

（3）貝氏體鋼-不銹鋼交織結(jié)構(gòu)在不銹鋼含量較低的情況下，抗拉強(qiáng)度值在1 200 MPa 以上，斷后伸長(zhǎng)率均值為10%左右，常溫下的平均沖擊吸收能量在159.25 J/cm2，呈現(xiàn)良好的強(qiáng)韌性。

（4）交織結(jié)構(gòu)拉伸試樣斷口表面有大量等軸韌窩和剪切韌窩，屬于韌性斷裂。