超聲沖擊對電弧熔絲增材制造低碳鋼組織的影響

孫徠博， 黃瑞生， 武鵬博， 徐富家， 方乃文

哈爾濱焊接研究所有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

增材制造（Additive manufacturing， AM）技術(shù)是一種通過計算機輔助設(shè)計采用材料逐層累加的方式實現(xiàn)零部件高自由度、高度柔性化制造的先進技術(shù)，在汽車、航天航空、醫(yī)療、軍工、藝術(shù)設(shè)計等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。按照熱源的不同，增材制造技術(shù)可分為激光增材制造、電弧增材制造和電子束增材制造［2］，不同熱源類型的增材制造具有各自的特點，適用范圍也有所不同。電弧熔絲增材制造（Wire and arc additive manufacturing，WAAM）作為最有可能實現(xiàn)大型金屬制件工業(yè)化批量制造的技術(shù)，具有沉積速度快、制件尺寸不受限制以及制造成本低等優(yōu)點［3-4］。但電弧熱源的高熱輸入會導(dǎo)致制件內(nèi)部的整體組織趨近于鑄態(tài)，出現(xiàn)樹枝狀組織和晶粒粗大等問題，顯著影響制件的力學(xué)性能并造成材料的各向異性，限制了電弧熔絲增材制造技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

針對這一問題研究人員提出了多種層間強化工藝和處理手段，如激光沖擊（Laser shock peening，LSP）［5］、機械錘擊（Machine hammer peening，MHP）［6］、層間滾壓（Inter-lay rolling，IR）［7］、超聲沖擊處理（Ultrasonic impact treatment，UIT）［8］、超聲振動（Ultrasonic vibration，UV）［9］、原位微鍛造（In-situ microforging，IM）［10］等強化技術(shù)，能夠有效地改善金屬制件在增材制造過程中的組織方向性生長，使粗大的柱狀晶組織轉(zhuǎn)變成細小的等軸晶組織，達到促進晶粒細化以及組織分布均勻化的目的。與其他輔助強化手段相比，超聲沖擊技術(shù)作為一種通過在制件表面進行高頻沖擊從而實現(xiàn)表面改性的方法，具有操作簡便、使用靈活、成本低廉和沖擊效果顯著等優(yōu)點，還可以與其他自動化設(shè)備相結(jié)合實現(xiàn)高效的自動化加工，且重復(fù)性好，非常適用于輔助強化電弧熔絲增材制造。

研究人員在相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量工作，并取得了階段性的進展。Yang等人［11］、何智［12］利用超聲沖擊對電弧熔絲增材制造TC4鈦合金進行了強化，指出超聲沖擊能夠有效改善TC4鈦合金粗大柱狀晶組織的連續(xù)生長，實現(xiàn)組織的細化和力學(xué)性能的提高。Diao等人［13］、蘇艷［14］通過超聲沖擊對電弧熔絲增材制造不銹鋼進行了處理，提出超聲沖擊能夠引發(fā)奧氏體不銹鋼表面的形變誘導(dǎo)馬氏體現(xiàn)象，改善組織狀態(tài)并提高制件的綜合力學(xué)性能。但目前針對超聲沖擊強化電弧熔絲增材制造低碳鋼的相關(guān)研究并不多，仍需在此方面進行深入、系統(tǒng)的研究。

本文通過在電弧熔絲增材制造低碳高強鋼過程中引入超聲沖擊層間強化來改善組織方向性生長，分析超聲沖擊層間強化對低碳高強鋼組織演變的影響，為超聲沖擊在電弧熔絲增材制造強化領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用提供支持。

1 試驗材料與方法

試驗采用尺寸為150 mm×300 mm×10 mm的907鋼作為基板，選用直徑1.2 mm的金屬絲（A-Fe-W-86合金）作為WAAM的沉積材料?；搴徒z材的化學(xué)成分如表1所示。

表1 基板和絲材化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of the substrate and wire（wt.%）

在WAAM沉積過程中使用Fronius TPS4000 CMT焊接電源，采用頭尾相接的沉積策略來補償由起弧和收弧引起的沉積不均勻，使起始部分和結(jié)束部分的厚度和寬度與中心部分保持一致，避免不同位置存在較大偏差，這種均勻的沉積層也能夠為超聲沖擊層間強化時的平穩(wěn)運行提供良好基礎(chǔ)［15］。沉積工藝參數(shù)如表2所示。

表2 電弧熔絲增材制造低碳鋼工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of low carbon steel produced by WAAW

在超聲沖擊過程中采用單針連續(xù)沖擊模式，并針對超聲沖擊對微觀組織的影響開展研究。在此過程中，施加固定載荷為5 kg，通過機器人控制實現(xiàn)，沖擊速度設(shè)定為0.25 m/min，沖擊功率600 W，沖擊頻率20 kHz，沉積和超聲沖擊強化過程示意如圖1所示。

圖1 薄壁墻沉積和超聲沖擊層間強化過程示意Fig. 1 Schematic diagram of thin-wall deposition and inter-layer UIT strengthening process

沿圖1中的y-z方向取樣，在線切割、研磨、拋光后，用飽和苦味酸溶液+氯化銅溶液+白描洗滌劑對試樣進行晶界腐蝕，腐蝕時間約30 min，腐蝕完成后采用LEICA DMIRM光學(xué)顯微鏡分析超聲沖擊前后晶粒及晶界的變化。在觀察薄壁墻制件組織宏觀形貌后進行電解拋光處理，選用10%高氯酸電解液，電壓18 V、電流0.3～0.5 A、腐蝕時間30 s。使用S3400N型掃描電子顯微鏡對樣品組織特征進行進一步分析，加速電壓20 kV，工作距離15 mm，掃描步長0.5 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀組織

圖2為超聲沖擊前后薄壁墻制件單個完整沉積層宏觀組織對比情況。可以看出，未進行超聲沖擊的沉積層宏觀組織由大量典型柱狀晶和少量等軸晶組成（見圖2a），與常規(guī)電弧熔絲增材制造的低碳鋼制件組織狀態(tài)保持一致。這種組織的形成主要受熔池的溫度梯度和凝固速率的影響，表現(xiàn)出明顯的方向性。經(jīng)過超聲沖擊后，沉積層的宏觀組織主要由等軸晶組成（見圖2b），這說明電弧熔絲增材制造的低碳高強鋼在經(jīng)過超聲沖擊后組織由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變（Columnar to equiaxed transition，CET）。在實際增材過程中，這種轉(zhuǎn)變發(fā)生在每一個沉積層，有助于制件整體組織的細化和改善各向異性。

圖2 超聲沖擊前、后沉積層宏觀組織對比Fig.2 Macrostructure comparison of depositions without and with UIT

2.2 微觀組織

超聲沖擊引起的柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象在微觀組織中表現(xiàn)得更為明顯，如圖3所示。未經(jīng)超聲沖擊的沉積層中存在大量的拉長晶粒（見圖3a），且呈現(xiàn)出一定的方向性。經(jīng)過超聲沖擊的沉積層組織以小長寬比晶粒和等軸狀晶粒為主（見圖3b），未見明顯的粗大、拉長晶粒。

圖3 超聲沖擊前、后沉積層微觀組織對比Fig.3 Microstructure comparison of depositions without and with UIT

圖4為超聲沖擊前、后沉積層更為微觀的結(jié)構(gòu)對比情況。圖4a為超聲沖擊前的組織狀態(tài)，此時存在大量彼此交錯的帶有方向性的微觀結(jié)構(gòu)，不同區(qū)域之間界限分明，各向異性明顯，這與電弧熔絲增材制造低碳鋼沉積層組織中的大量柱狀晶有關(guān)；圖4b為經(jīng)過超聲沖擊后的組織，以等軸晶為主的沉積層組織取向更為隨機和彌散，組織中存在許多與相鄰晶粒取向不同的新晶粒，大塊帶有方向性的組織數(shù)量和面積顯著降低，并伴隨著一定數(shù)量的新生細小晶粒，這可能是經(jīng)過超聲沖擊后的多層沉積組織中發(fā)生了一定程度的再結(jié)晶，但再結(jié)晶并不完全。以上這些組織的變化會直接影響制件的強度。

圖4 超聲沖擊前、后再結(jié)晶組織特征對比Fig.4 Structure characteristic comparison of recrystallization for depositions without and with UIT

Taylor因子是建立臨界剪切應(yīng)力（Critical resolved shear stress，CRSS）與材料屈服強度之間關(guān)系的重要參數(shù)，材料的屈服強度與Taylor因子（M）存在如下關(guān)系［16］：

式中σy為屈服強度；τ0為啟動滑移系的臨界剪切應(yīng)力；M為Taylor因子。

從式（1）可以得出，Taylor因子與強度之間呈正相關(guān)。眾所周知，回復(fù)和再結(jié)晶的發(fā)生會改善原始組織的不均勻，這種作用會在強度上得到反映，Taylor因子的分布能夠從一定程度上描述這一過程。超聲沖擊前、后的Taylor因子分布如圖5所示?？梢钥闯觯暃_擊前的Taylor因子分布呈現(xiàn)出明顯的方向性，較高和較低的Taylor因子交替存在，這意味著啟動滑動系所需的應(yīng)力是不均勻的。而經(jīng)過超聲沖擊后的沉積層Taylor因子分布相對均勻，各向異性也得到了一定程度地緩解。

圖5 超聲沖擊前、后Taylor因子的分布Fig.5 Distribution of Taylor factor of depositions without and with UIT

對超聲沖擊前、后的Taylor因子分布進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖6所示。超聲沖擊前沉積層Taylor因子波動較大，平均值為3.01（見圖6a），而經(jīng)過超聲沖擊后的Taylor因子波動得到了明顯的改善，平均值為3.22（見圖6b），這一結(jié)果與圖5中的分析保持一致。從以上分析結(jié)果可知，經(jīng)過超聲沖擊后Taylor因子分布更為均勻，且平均數(shù)值有所提高，這意味著此時的沉積層強度分布更為均勻，各向異性得到了改善［17-18］。

圖6 超聲沖擊前、后Taylor因子統(tǒng)計結(jié)果Fig.6 Statistics of Taylor factor of depositions without and with UIT

圖7 為超聲沖擊前、后沉積層的IPF圖對比情況。超聲沖擊前沉積層取向分布以｛001｝和｛101｝為主，此時組織呈現(xiàn)多處長條狀不同取向的特征，表現(xiàn)出明顯的方向性，這與電弧熔絲增材制造成形過程中的組織生長有關(guān)。經(jīng)過超聲沖擊后，沉積層取向更為多樣化，說明此時的各向異性得到了明顯改善。此外，經(jīng)過處理后的組織更為細小，且取向呈現(xiàn)出隨機和彌散分布，這一組織上的變化也與超聲沖擊引起的再結(jié)晶有關(guān)。

圖7 超聲沖擊前、后薄壁墻制件沉積層IPF圖對比Fig.7 Comparison of IPF figure of thin wall without and with UIT

如前所述，經(jīng)過超聲沖擊后的沉積層會發(fā)生部分再結(jié)晶使組織得到明顯細化，超聲沖擊前、后的晶粒尺寸對比見圖8，未經(jīng)超聲沖擊的多層沉積層晶粒尺寸為6.09 μm，而經(jīng)過超聲沖擊后的多層沉積層晶粒尺寸為2.22 μm，晶粒尺寸降低了63.5%。晶粒的細化能夠有效地改善組織狀態(tài)并在一定程度上提高材料的力學(xué)性能。

圖8 超聲沖擊前、后沉積層晶粒尺寸對比Fig.8 Statistical chart comparison of grain size of depositions without and with UIT

2.3 超聲沖擊對微觀組織演化的影響

從以上研究結(jié)果可知，超聲沖擊過程中超聲振蕩作用的傳導(dǎo)會對低碳高強鋼的微觀組織產(chǎn)生顯著影響，對微觀組織演化的影響如圖9所示。位錯在移動中不可避免地會遇到各種障礙，包括晶界、雜質(zhì)、第二相粒子等，當位錯無法克服阻力時會停止運動，并產(chǎn)生釘扎效應(yīng)。位錯運動開始的必要條件之一是位錯的剪切應(yīng)力能夠克服Peirls-Nabarro力和晶格等因素的影響。當位錯在其運動方向上所受到的驅(qū)動力大于這一阻力時，位錯將突破約束，繼續(xù)運動［19］。

圖9 超聲沖擊過程中微觀結(jié)構(gòu)演變示意Fig.9 Schematic diagram of microstructure evolution during UIT

在超聲沖擊過程中，沖擊載荷有助于提高加載和施載階段晶內(nèi)位錯的遷移率。間歇性的沖擊載荷所產(chǎn)生的局部剪應(yīng)力足以使部分釘扎位錯突破約束。但是由于位錯在晶體中的熱擴散能力較弱，很難通過躍遷的形式運動到相鄰滑移系來突破阻礙（見圖9a）。位錯運動通常發(fā)生在應(yīng)力波加載階段，超聲沖擊產(chǎn)生的沖擊載荷和振蕩作用會使位錯在特定時間內(nèi)不斷運動，促進位錯在運動路徑上的合并和湮滅，在距離處理表面一定深度下形成位錯墻或位錯細胞（見圖9b）。此后，位錯墻或位錯細胞進一步演變，以亞晶形式存在于晶粒內(nèi)部（見圖9c）。最后，形成的亞晶在后續(xù)熱效應(yīng)的影響下會轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌木Я?，從而達到晶粒細化的效果（見圖9d）。此外，在此過程中，再結(jié)晶的發(fā)生可以促進沉積層中柱狀晶粒向等軸晶轉(zhuǎn)變，可簡單分為以下步驟：取向明顯的柱狀晶?！暃_擊作用下柱狀晶中形成大量的亞結(jié)構(gòu)→后續(xù)沉積層熱效應(yīng)下的亞結(jié)構(gòu)再結(jié)晶→原始的柱狀晶組織被細小的再結(jié)晶晶粒阻斷→獲得尺寸較小的胞狀或等軸狀組織［20］。

3 結(jié)論與展望

本文通過引入超聲沖擊層間強化技術(shù)來改善電弧熔絲增材制造低碳高強鋼過程中的組織方向性生長等問題。通過對比超聲沖擊前、后制件顯微組織的差別，分析了在超聲沖擊和層間熱效應(yīng)共同作用下低碳高強鋼的組織演變規(guī)律，并提出在多能場復(fù)合作用下的超聲沖擊強化機理，得到的結(jié)論如下：

（1）電弧熔絲增材制造的低碳高強鋼制件在經(jīng)過超聲沖擊層間強化處理后，組織發(fā)生了明顯的柱狀晶向小縱橫比的胞狀或等軸狀組織等軸晶轉(zhuǎn)變，晶粒得到了一定程度地細化，組織各向異性顯著改善。

（2）超聲沖擊層間強化引起的組織轉(zhuǎn)變可以使組織趨于均勻化，改善應(yīng)力集中等問題，并在一定程度上提高制件強度。

（3）超聲沖擊可以促進位錯運動，使其在運動過程中發(fā)生合并湮滅，從而在沉積組織內(nèi)形成許多亞晶粒，亞晶在后續(xù)沉積層的熱效應(yīng)影響下發(fā)生部分再結(jié)晶引起了組織上的復(fù)雜變化。

（4）后續(xù)研究將致力于建立超聲沖擊和電弧熔絲增材制造復(fù)合作用與沉積層組織再結(jié)晶行為之間的關(guān)系，以便更為深入地揭示超聲沖擊輔助增材制造技術(shù)的作用方式和強化機理，為推進該技術(shù)的應(yīng)用提供理論支持。