層間冷卻對(duì)電弧增材制造鈦合金構(gòu)件性能的影響

趙昀，梁樂，孫宏偉，陳衛(wèi)彬，張本順

（江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222006）

0 前言

鈦合金具有密度小強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、可加工性能好、熱膨脹系數(shù)低、環(huán)保性能好，使用壽命長(zhǎng)等一系列卓越性能[1]，作為一種輕質(zhì)高溫材料應(yīng)用于航空、航天、航海、能源、化工等領(lǐng)域[2]。隨著鑄造和熔煉技術(shù)的發(fā)展，以及鈦合金構(gòu)件設(shè)計(jì)、加工技術(shù)的進(jìn)步，尤其是增材制造等新型材料加工技術(shù)的突破，鈦合金材料也逐漸廣泛用于大型建筑構(gòu)件以及一般民用建筑上[3-4]。電弧增材制造(Wire arc additive manufacturing,WAAM)是以電弧為熱源，焊絲為原料，將熔敷金屬按設(shè)定的路徑逐層沉積、堆敷成形三維實(shí)體構(gòu)件的一種近凈成形技術(shù)[5]，相比其它增材制造技術(shù)，WAAM堆積技術(shù)效率高、設(shè)備成本低、原材料利用率高、作業(yè)環(huán)境污染小，在大型金屬構(gòu)件制造中具有廣闊的應(yīng)用前景[6-8]。

在電弧增材制造過程中，受沉積層堆積高度的影響，熱傳導(dǎo)途徑由基板變?yōu)橹車諝鈁9-10]，導(dǎo)致制造構(gòu)件的組織不均一，具有明顯的各向異性，即使局部很小的相鄰區(qū)域，存在不同的組織結(jié)構(gòu)[11-12]，因此，有效控制電弧增材熱循環(huán)改變或控制沉積層間溫度，從而控制沉積材料組織及性能，一直以來是WAAM技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究難點(diǎn)、熱點(diǎn)性問題[13-15]。

該文采用基于鎢極氬弧焊的增材制造(GTWAAM)工藝對(duì)Ti6Al4V 合金進(jìn)行增材制造試驗(yàn)，利用CO2進(jìn)行層間冷卻，從而控制層間溫度，進(jìn)一步利用金相顯微鏡、掃描電鏡、力學(xué)性能測(cè)試儀器等研究沉積結(jié)構(gòu)的組織特性及力學(xué)性能。該研究為增材制造中層間溫度的控制策略及沉積結(jié)構(gòu)質(zhì)量的改善提供了有效的理論解決方案，并為工業(yè)制造應(yīng)用提供了參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法

在Ti6Al4V 構(gòu)件的電弧增材制造過程中，所需的試驗(yàn)材料包括基板和焊絲兩部分?；宀牧蠟锳STM B265 標(biāo)準(zhǔn)Ti6Al4V 板材，尺寸為200 mm×150 mm×6 mm，焊絲材料為ASTM B863 標(biāo)準(zhǔn)Ti6Al4V 合金焊絲，直徑為1.2 mm。具體材料化學(xué)成分見表1。

表1 Ti6Al4V 鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖1 為GT-WAAM 工藝示意圖。鎢極氬弧焊槍提供熱源，送絲機(jī)提供填充原料，采用氬氣(99.9%)作為堆積過程中局部保護(hù)氣體，CO2作為層間冷卻氣體，為了避免冷卻氣體對(duì)電弧的干擾，當(dāng)電弧停止時(shí)，啟動(dòng)冷卻裝置，直至堆積層末端停止冷卻。試驗(yàn)中，冷卻噴嘴行走速度與堆積速度保持一致。

圖1 GT-WAAM 工藝示意圖

焊接工藝參數(shù)為焊接電流110 A；電弧電壓13 V；行走速度95 mm/min；送絲速度820 mm/min；鎢極距母材高度3 mm；鎢極與焊絲間夾角60°；GTAW 焊槍保護(hù)氣體流量15 L/min；局部保護(hù)氣體流量10 L/min；冷卻氣體流量320 g/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 沉積過程熱循環(huán)曲線

圖2 為沉積過程中熱循環(huán)曲線?？梢钥闯?，層間冷卻可以改變?nèi)鄢販囟龋行Ы档蜏囟鹊姆逯导胺?。?dāng)采用CO2進(jìn)行層間冷卻，平均層間等待時(shí)間為225 s，遠(yuǎn)低于自然冷卻時(shí)層間等待時(shí)間1 300 s。與自然冷卻相比，采用CO2進(jìn)行層間冷卻的制造效率可以提高至80%以上。另外，采用層間冷卻為增材過程中層間溫度的控制提供了有效解決方案，通過控制層間溫度，可以控制潛在組織結(jié)構(gòu)的演化，從而改善成形構(gòu)件的力學(xué)性能。

圖2 Ti6Al4V 合金GT-WAAM 熱循環(huán)曲線

2.2 沉積試樣形貌

2.2.1 宏觀形貌

圖3 為Ti6Al4V 合金GT-WAAM 試樣宏觀形貌?？梢钥闯?，電弧增材制造試樣明顯形成3 個(gè)區(qū)域：凹形層區(qū)、平行層區(qū)、凸形層區(qū)。不同區(qū)域?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的成形主要由于堆積過程中散熱途徑的改變所引起，凹形層區(qū)主要集中于熱影響區(qū)，其大小由熱影響區(qū)大小決定。平行層區(qū)產(chǎn)生于試樣底部，由于沉積堆敷過程中，該區(qū)域主要通過基板熱傳導(dǎo)散熱，堆積層冷卻速率快，因此產(chǎn)生明顯的平行層結(jié)構(gòu)。凸形層區(qū)產(chǎn)生于試樣頂部，在其形成堆敷過程中，由于熱量積累在堆積層內(nèi)部，周圍對(duì)流散熱為主要散熱方式，因而冷卻速率較慢，這導(dǎo)致堆積層熔融凝固緩慢，從而引起層狀液相線的消失。由圖3 可知，采用CO2進(jìn)行層間冷卻后，試樣的平行層區(qū)及凸形層區(qū)的帶寬明顯大于自然冷卻試樣的帶寬，這是由于堆積層冷卻速率加快可以引起熔融層凝固加快，另外，由宏觀形貌可知，沿著豎直方向有明顯的柱狀晶組織產(chǎn)生，其與熱梯度的方向一致。

圖3 Ti6Al4V 合金GT-WAAM 試樣宏觀形貌

2.2.2 微觀形貌

圖4 為Ti6Al4V 合金GT-WAAM 試樣微觀形貌。由于溫度梯度和凝固速率的影響，當(dāng)采用自然冷卻時(shí)，試樣底部平行層區(qū)形成魏氏組織，片狀的α 相相互交織，如圖4(a)所示；在凸形層區(qū)域，由于累積熱引起的溫度梯度的改變，片狀的α 相進(jìn)一步分解為薄層狀的α 結(jié)構(gòu)，如圖4(b)所示。對(duì)于CO2層間冷卻制備的Ti6Al4V 試樣，由于高的冷卻速率，熔池液相過冷度相對(duì)于自然冷卻的過冷度增大，在平行層及凸形層微觀組織中明顯形成針狀的α′相，如圖4(c)和圖4(d)所示。也就是說，當(dāng)采用快速層間冷卻時(shí)，大量的片狀α 相會(huì)被針狀的α′相所取代，同時(shí)伴隨著晶粒細(xì)化。

圖4 Ti6Al4V 合金GT-WAAM 試樣微觀形貌

2.2.3 冷卻氣體中的C 與O 元素影響

圖5 為冷卻試樣元素分布示意圖。試樣底部Ti，Al，V，O 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為88.64%，4.37%，3.50%，3.50%，上部組織中Ti，Al，V，O，C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為81.10%，3.56%，2.92%，5.75%，2.65%?？梢钥闯觯谙虏繀^(qū)域沒有C 元素的存在，而上部區(qū)域（凸形層區(qū)），C和O 元素的含量明顯增加。這是因?yàn)殡S著層數(shù)的增高，產(chǎn)生的熱積累可能導(dǎo)致冷卻氣體CO2與堆積金屬發(fā)生潛在的化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致氣體中O 與C 滲透到堆積金屬組織中。

一般情況下，氧元素在Ti6Al4V 合金的α 相中具有較高的溶解度，容易形成間隙固溶相，使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重變形，從而提高組織的硬度和強(qiáng)度，但會(huì)降低組織的斷后伸長(zhǎng)率，同時(shí)，過多的O 元素及C 元素會(huì)導(dǎo)致接頭性能的弱化，極大降低所制試樣的質(zhì)量。因此，層間冷卻氣體流量、時(shí)間及局部保護(hù)氣體狀態(tài)需要進(jìn)一步優(yōu)化，以確保沉積試樣中O 含量維持在合理水平。

2.3 力學(xué)性能分析

2.3.1 硬度分析

采用型號(hào)為DuraScan 70 自動(dòng)顯微硬度儀對(duì)增材試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。測(cè)試前將試樣打磨拋光，測(cè)試區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)堆焊增材制造區(qū)域由底部到頂部沿著中線，間隔1 mm 取1 采樣點(diǎn)。在試驗(yàn)中，加載載荷為0.98 N，加載時(shí)間為15 s，試驗(yàn)采用ASTM：F2924 標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 為GT-WAAM 試樣在自然冷卻及層間冷卻下的硬度?？梢钥闯?，層間冷卻的平均顯微硬度略高于自然冷卻的顯微硬度，當(dāng)采用CO2進(jìn)行強(qiáng)制層間冷卻時(shí)，堆積層冷卻速度快于自然冷卻，從而給組織帶來更多的晶界和位錯(cuò)，產(chǎn)生更高的顯微硬度。此外，在高冷卻速率下獲得的Ti6Al4V 組織由大量針狀和非平衡成分的α′相組成，它們通常在高冷卻速率下比在低冷卻速率下硬度、強(qiáng)度更高。值得注意的是，對(duì)于自然冷卻試樣來講，片狀α′相與薄層狀α′相具有相似的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，即使在改變工藝條件的情況下，其硬度在整體上也是均勻分布的。

圖6 GT-WAAM 試樣顯微硬度

2.3.2 強(qiáng)度分析

利用型號(hào)為MTS370 電子萬能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)電弧增材制造試樣（沿行走方向取樣）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣采取非標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣，試驗(yàn)溫度為25 ℃，拉伸速率為0.4 mm/min.

圖7 為GT-WAAM 試樣在自然冷卻和層間冷卻狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率?？梢钥闯觯c構(gòu)件采用自然冷卻的方式相比，采用CO2層間冷卻方式，構(gòu)件具有較高的拉伸強(qiáng)度及較低的斷后伸長(zhǎng)率，說明層間冷卻有利于提升GT-WAAM 制造構(gòu)件的材料性能。對(duì)于Ti6Al4V 的α+β 組織結(jié)構(gòu)，高的冷卻速率及快速凝固有利于β 相的增加，更易達(dá)到相平衡狀態(tài)[5]，從而提高強(qiáng)度。

圖7 GT-WAAM 試樣力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）在電弧增材制造過程中應(yīng)用層間冷卻，層間等待時(shí)間可極大縮短，制造效率可提高至少80%。

（2）堆積過程種散熱途徑改變及熱積累引起堆積試樣組織產(chǎn)生凹形層區(qū)、平行層區(qū)、凸形層區(qū)。合理控制層間溫度，進(jìn)而控制帶狀組織區(qū)域的發(fā)展有利于改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

（3）采用CO2氣體層間冷卻，有利于電弧增材制造構(gòu)件質(zhì)量的改善，其可以細(xì)化組織晶粒，得到針狀的α′相，從而提高組織硬度，加強(qiáng)構(gòu)件力學(xué)性能，但構(gòu)件斷后伸長(zhǎng)率稍有降低。