電弧增材成型鋁合金的組織及力學(xué)性能

作者：李玉娟，姜易均，姜愛龍，陳健健，秦玉升，孫兵
單位：濰柴動力股份有限公司
來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊》2023年第5期

電弧增材制造(WAAM)是在傳統(tǒng)的焊接工藝基礎(chǔ)上升級而成的，具體流程為：按照計算機(jī)上規(guī)劃好的模型堆積，將材料熔化并沉積成所需要的尺寸，以達(dá)到生產(chǎn)需求。冷金屬過渡焊(CMT)是一種新型焊接工藝，具有焊接過程弧長控制精確、熱輸入量小、飛濺少等工藝特點(diǎn)，適用于低熔點(diǎn)金屬的增材制造。普通的CMT工藝不適合焊接厚度較大的板材，因此在CMT基礎(chǔ)上開發(fā)了CMT+PADV(交流脈沖焊接模式)工藝，該工藝增大了熱輸入，可以焊接更厚的板材，且表面成型質(zhì)量更好。


2319鋁合金屬于2系鋁合金，強(qiáng)度和硬度較高，可進(jìn)行熱處理，是良好的航空航天工業(yè)材料。2319鋁合金與典型的航空航天用2219鋁合金相比，化學(xué)成分相差不大,但價格較低。目前，國內(nèi)許多學(xué)者對CMT電弧增材成型2319鋁合金的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究，張文明等研究了送絲速率、焊接速率、層間等待時間等因素對2319鋁合金成型組織的影響，以獲得最佳成型參數(shù)；任惠圣等對不同熱處理工藝下，CMT電弧增材成型2319鋁合金構(gòu)件的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)熱處理后構(gòu)件的最高抗拉強(qiáng)度為386.2MPa。目前，國內(nèi)對CMT電 弧增材制造2319鋁合金彈性模量的研究較少。

研究人員對CMT電弧增材成型2319鋁合金沉積態(tài)及熱處理態(tài)的顯微組織、力學(xué)性能進(jìn)行研究，并對不同溫度下試樣彈性模量的變化情況進(jìn)行研究，結(jié)果可為提高 CMT電弧增材成型2319鋁合金的力學(xué)性能提供理論基礎(chǔ)。


1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料
采用直徑為1.2mm的ER2319鋁合金焊絲進(jìn)行試驗(yàn)，基板厚度為30mm，材料為AA2219鋁合金，試驗(yàn)前用丙酮脫脂對基板進(jìn)行清洗，然后拋光。


1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 成型工藝及熱處理

采用電弧增材成型方式制備2319鋁合金試樣(WAAM2319)，成型方式為CMT+PADV。WAAM2319試樣的宏觀形貌如圖1所示，分為縱向試樣和橫向試樣。

WAAM2319試樣的熱處理方法為：固溶處理，將試樣放置在馬弗爐中，隨爐升溫至535℃，保溫1h，從爐中取出后立即進(jìn)行水淬；人工時效，將試樣隨爐升溫至175℃，保溫6h，隨爐冷卻至室溫。

1.2.2 力學(xué)性能測試

拉伸試樣的取樣位置如圖2所示，拉伸試樣的尺寸如圖3所示。取拉伸試驗(yàn)完成后的試樣進(jìn)行硬度測試，測試位置如圖4所示。拉伸試驗(yàn)在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用布氏硬度計進(jìn)行硬度測試，每個試樣測3個點(diǎn)并取平均值。

彈性模量試樣的取樣位置如圖5所示。使用高溫彈性模量測試儀進(jìn)行測試，測試溫度分別為室溫、100℃和150℃，彈性模量試樣為80mm×20mm×4mm(長度×寬度×高度)的板狀試樣，每個方向測量兩個試樣，每個試樣測量3次，然后取平均值。

1.2.3 金相檢驗(yàn)
金相試樣的取樣位置如圖4所示，將試樣進(jìn)行樹脂熱鑲后，分別用粒度為240，600，1200，2000目(1目=25.4mm)的水磨砂紙在流水下進(jìn)行打磨，然后依次用粒度為9μm和3μm 的金剛石研磨膏進(jìn)行粗拋光,最后用粒度小于0.05μm的硅膠懸濁液進(jìn)行精拋 光，得到鏡面試樣，用乙醇沖洗并吹干。用光學(xué)顯微鏡對試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 金相檢驗(yàn)
沉積態(tài)試樣的顯微組織形貌如圖6所示。由圖6可知：縱向試樣的組織出現(xiàn)分層，形態(tài)為較大等軸枝晶、柱狀晶和細(xì)小等軸晶；橫向試樣的組織為等軸晶。

熱處理態(tài)試樣的顯微組織形貌如圖7所示。由圖7可知：組織中存在的枝晶及晶間、晶內(nèi)的第二相顆粒在熱處理后基本消失，晶粒尺寸較均勻，且較大。

試樣中氣孔的微觀形貌如圖8所示，可見試樣中氣孔尺寸較小，大部分氣孔的直徑小于80μm，氣孔呈圓形，且單獨(dú)分布。

2.2 力學(xué)性能測試

2.2.1 拉伸試驗(yàn)

試樣的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果如圖9所示，可見沉積態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度在同一方向上分布均勻，縱向試樣的抗拉強(qiáng)度比橫向試樣的抗拉強(qiáng)度小9.3%，縱向試樣的抗拉強(qiáng)度存在各向異性；熱處理態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度較沉積態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度提高了約35%，縱向試樣的抗拉強(qiáng)度比橫向試樣的抗拉強(qiáng)度小9.7%，縱向試樣的抗拉強(qiáng)度存在各向異性。

2.2.2 硬度測試
試樣的硬度測試結(jié)果如圖10所示，可見沉積態(tài)試樣的硬度在同一方向上差距較小，且分布均勻，縱向試樣的硬度與橫向試樣的硬度基本一致；熱處理態(tài)試樣較沉積態(tài)試樣的硬度提高了約40%，且縱向試樣的硬度與橫向試樣的硬度基本一致，存在較小的各向異性。

2.2.3 彈性模量測試
熱處理態(tài)試樣的彈性模量測試結(jié)果如圖11所示，可見縱向試樣和橫向試樣的彈性模量基本一致，隨著試驗(yàn)溫度的升高，彈性模量均呈下降趨勢。

3 綜合分析
由 金相檢驗(yàn)結(jié)果可知：沉積態(tài)縱向試樣的組織出現(xiàn)分層，原因是當(dāng)焊縫發(fā)生凝固時，下一層焊縫會使已經(jīng)凝固的焊縫重新熔化，而WAAM是層層堆積的過程，層間的熱循環(huán)比較復(fù)雜，焊縫熔池凝固是一個典型的非平衡凝固過程，各層間經(jīng)歷了多次重熔，散熱變慢，且熱輸入增加，導(dǎo)致液態(tài)金屬的停留時間變長，晶粒尺寸變大，最終形成了較大等軸晶和柱狀晶；層間重熔過程中，有小部分區(qū)域迅速冷卻，最終形成了細(xì)小等軸晶；增材成型過程中，橫向試樣的受熱比較均勻，其顯微組織以等軸晶為主。經(jīng)熱處理后，附著在晶界上的大部分共晶物顆粒發(fā)生溶解，擴(kuò)散進(jìn)入鋁基體，Cu原子在鋁基體中的極限固溶度小于合金中的Cu原子含量，有一部分 Cu原子無法溶解，固溶處理后仍然以 Al-Cu化合物的形式存在，因此熱處理態(tài)試樣的基體上仍均勻分布有顆粒狀第二相，顆粒狀第二相為θ(Al2Cu)相。試樣中的氣孔大部分是氫氣孔，還有少部分是凝固過程中，因晶間金屬補(bǔ)充不及時而形成的孔洞。在電弧的高溫作用下，絲材中殘留的水分、油脂和碳?xì)湮廴疚镅杆俜纸鉃闅湓�子并進(jìn)入熔池,最終形成氣孔，同時氫氣孔會依附在第二相顆粒或枝晶臂等形核質(zhì)點(diǎn)處，在凝固前形核并長大。試樣中大量形狀不規(guī)則的共晶物和枝晶組織會為氣孔提供形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)其形核并脫離，但是細(xì)小的枝晶會阻礙氣孔相互合并，因此試樣中氣孔的尺寸較小。

由力學(xué)性能測試結(jié)果可知：熱處理態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度較高，原因是熱處理過程中，形成了高溫固溶體，在隨后的時效處理過程中，冷卻速率較快，高溫固溶體形成了具有大量空位的Cu溶質(zhì)原子過飽和固溶體，多余的Cu原子從晶界處析出，形成了析出強(qiáng)化�？v向試樣的力學(xué)性能存在各向異性，原因是試樣經(jīng)熱處理后，在Cu原子的析出強(qiáng)化作用下，試樣的抗拉強(qiáng)度升高，熱處理后縱向試樣仍然存在尺寸較大的柱狀晶，橫向試樣為尺寸較小的等軸晶，因此縱向試樣的抗拉強(qiáng)度低于橫向試樣的抗拉強(qiáng)度。彈性模量反映了原子間結(jié)合力的大小，隨著試驗(yàn)溫度升高，原子間的間距增大，原子間的結(jié)合力減弱，彈性模量降低。


4 結(jié)論

WAAM2319沉積態(tài)和熱處理態(tài)縱向試樣的抗拉強(qiáng)度存在各向異性，原因是縱向試樣的組織不均勻，存在分層現(xiàn)象。熱處理后，試樣的抗拉強(qiáng)度和硬度升高，原因是試樣經(jīng)熱處理后，存在Cu原子的析出強(qiáng)化作用。熱處理后，縱向試樣和橫向試樣的彈性模量基本一致，隨著試驗(yàn)溫度的升高，彈性模量均呈下降趨勢。