旁路耦合等離子弧鈦合金增材制造組織與性能的研究

張林波，吳明亮，袁 文

(1.蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050) (2.蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

增材制造技術作為一種新興的制造技術，正在改變現(xiàn)有工業(yè)零部件的設計、生產(chǎn)、制造方式。利用材料逐層累加的方法來制造實體零件，增材制造技術可以實現(xiàn)多種材料、復雜結(jié)構零件的致密成形，綜合力學性能優(yōu)于鑄造件，可以顯著縮短制造周期，適用于新產(chǎn)品的開發(fā)和復雜零件的定制生產(chǎn)[1-2]。隨著高能束技術、軟件技術、材料科學和機械自動化等的發(fā)展，增材制造將在航空航天、生物醫(yī)療和模具制造等領域得到廣泛應用[3]。增材制造過程中，零件的組織會影響其性能，然而組織在反復的熱循環(huán)作用之下會產(chǎn)生明顯的演變，因此組織的特點對零件能否達到理想性能是至關重要的，為此不少學者進行了相關研究[4]。Manvatkar等[5-6]進行了激光多層增材制造的研究，發(fā)現(xiàn)冷卻速度決定了組織晶粒的大小，冷卻速度越快，組織的晶粒越細小，然而隨著堆積層數(shù)逐漸升高，冷卻速度會逐漸減小。趙雪等[7]研究了不同的掃描策略對零件微觀組織及顯微硬度的影響規(guī)律。時海芳等[8]在Q235鋼上以鎳基合金粉末來制備預制塊進行氬弧熔覆，發(fā)現(xiàn)不同的焊接電流、焊接速度和氬氣流量都對焊縫的尺寸和組織有一定影響。Dinda等[9-10]研究了不同的沉積路徑對等離子弧快速形成Inconel625合金的組織和性能的影響，結(jié)果表明不同的沉積路徑對零件的組織和性能都存在一定的影響。

本文通過建立旁路耦合等離子弧焊(double electrode micro-plasma arc welding, DE-MPAW)焊接試驗平臺，對TC4鈦合金進行增材制造研究，采用熱電偶記錄增材制造過程中母材上的溫度變化情況，結(jié)合光學顯微鏡(optical microscope，OM)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)和維氏顯微硬度儀等實驗儀器分析堆垛樣的組織和性能的關系，及旁路電流和堆垛順序?qū)︹伜辖鹪霾闹圃於讯鈽咏M織和性能的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗原理及設備

DE-MPAW的試驗裝備系統(tǒng)如圖1所示，圖2所示為實物圖。從電源正極流出的電流一部分通過母材流經(jīng)等離子焊槍回到焊機的負極；另一部分流經(jīng)可調(diào)電阻箱，由旁路焊絲分流，通過等離子焊槍回到焊機負極。由圖可得出電流關系式：

圖1 DE-MPAW原理圖

圖2 DE-MPAW實物圖

Iz=Ip+Im

(1)

式中：Iz為焊接過程中的總電流；Im為流經(jīng)母材的電流；Ip為流經(jīng)焊絲的電流。

1.2 試驗參數(shù)

試驗采用的基板和焊絲為同種材料，皆為TC4?；宄叽鐬?50 mm×150 mm×3 mm，焊絲直徑為1.2 mm，成分見表1。焊接過程中的工藝參數(shù)見表2。

表1 焊絲化學成分(質(zhì)量分數(shù))

表2 焊接工藝參數(shù)

利用建立的DE-MPAW試驗系統(tǒng)，分別制備單向多層堆垛和往復多層堆垛鈦合金薄壁試樣，其外觀形貌如圖3所示。為保證表面平整度，焊接前需要對基板進行打磨，用丙酮清洗，除去表面的氧化物薄膜。

圖3 堆垛試樣

為了研究有無旁路電流和堆垛方式對DE-MPAW鈦合金增材制造中組織及性能的影響，分別在有旁路電流和無旁路電流的情況下進行堆垛試驗，旁路電流大小為16 A，其余參數(shù)見表2。焊接過程中，采用K型熱電偶對堆垛過程中母材上的溫度變化情況進行采集。在基板上選取B、C2個采集點(即圖2中的采集點1和采集點2)，點B位于板內(nèi)側(cè)距堆垛層10 mm的位置，點C位于其斜下45°方向距堆垛層20 mm的位置。采用電阻點焊機將感應線點焊至B、C兩點，即可進行母材溫度的測定。圖4為試驗過程中測得的熱循環(huán)曲線圖。為了分析堆垛方式對鈦合金組織和性能的影響，在其他參數(shù)不變(參數(shù)見表2)的情況下，分別進行單向多層堆垛和往復多層堆垛試驗。

圖4 不同堆垛條件的熱循環(huán)曲線

堆垛試樣用線切割方式沿縱截面切取合適尺寸的樣本，經(jīng)過研磨、拋光和腐蝕(腐蝕液選取體積比為V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶10)完成試樣制備。采用掃描電子顯微鏡和光學顯微鏡觀察堆垛樣的組織，用維氏顯微硬度儀進行硬度測試(載荷100 g，加載時間15 s)。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆垛試樣不同部位的組織特點

圖5為有旁路電流TC4堆垛樣光學顯微組織及截面照片，總電流為40 A，旁路電流為16 A。為研究組織、形貌特性，分別對其底部、中部、頂部區(qū)域的組織進行觀察。從底部到頂部，組織經(jīng)歷了典型的片層狀α枝晶到樹枝晶的轉(zhuǎn)變。這主要是因為TC4材料的熱傳導較小，堆垛處的熱量傳遞至母材遠端需要一定的時間。由此可知，在堆垛過程中，堆垛基礎溫度較高，電弧產(chǎn)生的熱量在堆垛層內(nèi)部大量積累，使堆垛層組織逐漸生成樹枝晶。

2.2 旁路電流對組織性能的影響

為研究旁路電流對TC4鈦合金堆垛層組織性能的影響，進行無旁路電流和有旁路電流下的往復堆垛試驗。圖6所示為光學顯微鏡下觀察到的堆垛樣組織的照片(所選區(qū)域與圖5中b區(qū)為同一位置)?？梢钥闯觯月冯娏骺梢允怪ё兇?，間距變小。根據(jù)所測得熱循環(huán)曲線可知，在有旁路電流下的冷卻時間較短(即下降100 ℃所需的時間少)。因為冷卻速度越快，過冷度越大，會致使枝晶更粗、間距更小，由此可知，在有旁路電流的情況下，堆垛樣組織的枝晶較粗、間距相對較小。

圖5 TC4鈦合金堆垛試樣組織

圖6 不同旁路電流下的堆垛樣組織

為進一步研究TC4鈦合金的性能特點，需進行顯微硬度測試：從堆垛層的底部向堆垛層的頂部逐一測試，測試點的間隔為2 mm，不同參數(shù)下測試3組實驗數(shù)據(jù)，分別取其平均值。圖7所示為不同旁路電流下TC4鈦合金堆垛試樣顯微硬度變化情況，從圖中看出，在旁路電流為0 A的情況下，堆垛層的硬度保持在300～400 HV，隨著旁路電流的引入，堆垛層的硬度維持在350～450 HV，而且隨著堆垛層數(shù)的增加，堆垛層的硬度超過400 HV并維持較大的深度，說明旁路電流的引入對堆垛層有著明顯的強化作用。

圖7 不同旁路電流下的堆垛樣硬度變化曲線

2.3 堆垛順序?qū)M織性能的影響

為研究堆垛順序?qū)M織性能的影響，對不同堆垛順序的組織樣進行了光學顯微觀察，單向堆垛樣組織如圖8所示(所選區(qū)域與圖5中b區(qū)為同一位置)。往復堆垛樣組織照片如圖6所示。單向堆垛時，層間的晶枝生長方式是相同的，往復堆垛時，層間的晶枝生長方式發(fā)生了改變，這是由于層間的散熱方向不同所導致的結(jié)果。

圖8 單向堆垛順序的組織

圖9為往復堆垛方式和單向堆垛下的顯微硬度變化曲線。從圖中可以看出，無旁路電流單向堆垛層的硬度維持在300～400 HV，這與TC4鈦合金母材的硬度大致符合。但比無旁路電流往復堆垛層的硬度要低，說明在堆垛過程中，電弧產(chǎn)生的熱量在堆垛層內(nèi)部不斷地積累，使得堆垛層的溫度持續(xù)上升，隨著堆垛層數(shù)的增加，以熱傳導為主的降溫散熱從母材上的三維傳導模式轉(zhuǎn)變?yōu)樵诙讯鈱由系亩S傳導模式從而使得降溫的速率下降，導致堆垛層上積累大量的熱，在散熱過程中TC4鈦合金的性能發(fā)生變化。由此表明堆垛方式能夠影響顯微硬度。

圖9 堆垛樣硬度的變化

3 結(jié)論

本文通過不同參數(shù)下DE-MPAW鈦合金增材制造的對比試驗，對堆垛組織進行相關分析得出以下結(jié)論：

1)在增材制造過程中堆垛樣的組織經(jīng)歷了由典型的片層狀α枝晶到樹枝晶的轉(zhuǎn)變，硬度逐漸升高。加入旁路電流后，使得堆垛樣組織枝晶變粗、間距相對減小，其硬度比無旁路電流時高。

2)不同的堆垛順序?qū)Χ讯鈽拥慕M織和硬度都有一定的影響。單向堆垛時，堆垛層組織晶枝保持同一方向生長；往復堆垛時，堆垛層組織晶枝生長方向發(fā)生變化。往復堆垛會使TC4鈦合金堆垛樣硬度在一定程度上增大。

3)旁路電流的引入能夠?qū)Χ讯鈱赢a(chǎn)生較大深度的強化效果，在鈦合金增材制造中具有明顯的優(yōu)勢。