導(dǎo)讀:本文提出了一種采用高效率埋弧等離子體作為替代熱源的新型電弧熔絲增材制造方法,即埋弧增材制造技術(shù)。經(jīng)過(guò)初步探索發(fā)現(xiàn),通過(guò)促進(jìn)α-Fe(BCC)由柱狀晶到等軸晶的完全轉(zhuǎn)變(即CET),可實(shí)現(xiàn)大型低碳鐵素體-珠光體鋼構(gòu)件的近凈成型,并獲得均勻且近似各向同性的微觀結(jié)構(gòu)。沉積態(tài)構(gòu)件的頂部區(qū)域主要由柱狀α-Fe晶粒構(gòu)成,具有典型的優(yōu)先<001>α取向。均化區(qū)域因受到原位內(nèi)生性熱處理的作用(IHT)從而多次觸發(fā)快速的同素異形體轉(zhuǎn)變(主要是多層穿透的正火、全層穿透的臨界區(qū)退火和持續(xù)持久的回火的組合,即NIT)。因此,理論上當(dāng)每個(gè)新沉積層的凈層厚不大于受該層影響下已沉積層細(xì)晶區(qū)的寬度時(shí),每個(gè)新層中的微觀結(jié)構(gòu)可以逐漸被后續(xù)層細(xì)化和均勻化。因此,均質(zhì)區(qū)主要由近完全等軸的α-Fe組成,顯示出沿沉積方向的均質(zhì)特性。在全層穿透NIT的影響下,珠光體輕微球化,平均尺寸(從4μm降至2μm)和體積分?jǐn)?shù)(從5%降至1%)都得到降低,這可以有效減輕裂紋敏感性。透射電鏡結(jié)果表明均質(zhì)區(qū)不僅晶內(nèi)位錯(cuò)數(shù)量顯著減少,而且其形態(tài)也從纏結(jié)態(tài)演變?yōu)榭蓜?dòng)態(tài)。上述轉(zhuǎn)變連同晶粒細(xì)化和大角度晶界的形成,導(dǎo)致α-Fe基體中的內(nèi)部應(yīng)變更低且更分散。因此,構(gòu)件獲得了優(yōu)異的夏比沖擊韌性(在-60°C時(shí)超過(guò)300 J),且強(qiáng)度無(wú)明顯惡化。沖擊、拉伸和硬度測(cè)試顯示出幾乎各向同性的機(jī)械特性。我們相信這種新方法將會(huì)在未來(lái)的大、中型構(gòu)件增材制造中展現(xiàn)出巨大前景。
金屬增材制造(AM)因其能夠在航空航天、汽車(chē)、核能和醫(yī)療在內(nèi)的工程行業(yè)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的近凈成型而引起了極大的興趣。作為一種逐層制造方法,該技術(shù)發(fā)展迅速,通常在制造策略的創(chuàng)新上受到廣大研究者與工程師的重點(diǎn)關(guān)注——即追求具有更高的沉積速率、更好的表面光潔度以及具有定制機(jī)械性能甚至更大尺寸部件的加工能力。
基于最初在上世紀(jì)90年代獲得專利的粉末輸送方法,金屬AM方法可大致分為兩大類:粉末床融合(例如,選擇性激光熔化(SLM)、電子束熔化)或定向能量沉積(例如,激光金屬沉積(LMD))。SLM方法通過(guò)高能量密度和精確控制的熱源(通常是精密設(shè)計(jì)的鏡面控制激光器)來(lái)局部熔化預(yù)置粉末,具有熔池小,凝固率高等特點(diǎn),因此可以獲得具有較高表面光潔度的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)。因其普遍采用具有高附加值特征(例如:鈦合金、鎳合金和高熵合金等)的填充材料,從而顯著降低成本,減少浪費(fèi),被稱為是一種具有良好經(jīng)濟(jì)平衡的環(huán)保技術(shù)。然而,低沉積速率(約50g/h)和僅能加工小型產(chǎn)品的能力阻礙了SLM方法的更廣泛應(yīng)用。雖然通過(guò)LMD可以實(shí)現(xiàn)更高的沉積速率 (480-900g/h),但對(duì)于該非致密粉末輸送技術(shù),諸如微裂紋和孔隙率等缺陷將無(wú)法避免,這些缺陷也成為了限制LMD產(chǎn)品性能的主要原因。
電弧熔絲增材制造(WAAM)因采用電弧-絲材系統(tǒng),具備制造致密構(gòu)件的能力。沉積速率的大幅提升與制造大規(guī)模、完全致密組件的能力相結(jié)合,使WAAM比其他粉末輸送技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。然而,在WAAM的大幅推廣之前仍然存在一些挑戰(zhàn)。包括難以達(dá)標(biāo)的機(jī)械性能和由冶金問(wèn)題引起的各向異性、表面質(zhì)量差、殘余應(yīng)力和變形等問(wèn)題。
受傳統(tǒng)熱處理和其他成型制造方法的啟發(fā),許多WAAM技術(shù)結(jié)合了后處理的某些工藝特點(diǎn),即通過(guò)沉積后加熱、加壓或兩者兼有之,以消除傳統(tǒng)增材工藝中的缺陷,例如孔隙率和各向異性等。然而上述做法僅停留在理論與工藝的研究階段,裝置繁雜且效果有限,很難進(jìn)行大規(guī)模推廣;熱處理對(duì)構(gòu)件尺寸有苛刻的限制,難以處理大型構(gòu)件且成本高昂,這也為擁有致密均勻組織的大型零件的加工帶來(lái)困難。
在此,天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院程方杰教授團(tuán)隊(duì)的博士研究生李宇航(第一作者)首次提出了一種新型SAAM技術(shù),該技術(shù)能夠原位、高效(沉積效率~20kg/h)制造具有各向同性等軸微結(jié)構(gòu)的大型、高致密度構(gòu)件。由于工藝自帶的熱作用屬性使沉積層具有特殊的大寬厚比的特點(diǎn),使工藝本征的原位IHT具有全層穿透特性,這種方法不僅避免了昂貴的后熱處理,而且還可以原位調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)。
低碳鋼作為目前最常見(jiàn)且擁有無(wú)限市場(chǎng)需求的工程材料之一,擁有最簡(jiǎn)單的鐵素體-珠光體相系統(tǒng)。作者認(rèn)為該系統(tǒng)最適合研究微觀結(jié)構(gòu)演變以揭示SAAM固有原位IHT的本質(zhì)。因此,本研究選用AWS-EM12K埋弧焊絲(SAW)作為絲材原料,OK FLUX 10.62作為焊劑進(jìn)行大型構(gòu)件的埋弧增材制造過(guò)程。此外,靈活的加工路徑和復(fù)雜的幾何可訪問(wèn)性是SAAM區(qū)別于常規(guī)傳統(tǒng)等材、減材制造的顯著優(yōu)勢(shì),若構(gòu)件性能可以與傳統(tǒng)方法制造的零件相媲美,這種新的加工模式對(duì)于高強(qiáng)鋼構(gòu)件的大規(guī)模制造將具有巨大的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以題“Submerged arc additive manufacturing (SAAM) of low-carbon steel: Effect of in-situ intrinsic heat treatment (IHT) on microstructure and mechanical properties”發(fā)表在增材頂刊 Additive Manufacturing上。
論文鏈接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042100289X?via%3Dihub
研究表明,由于經(jīng)歷了多次快速的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,SAAM組件頂部具有典型擇優(yōu)取向的<001>α柱狀微觀結(jié)構(gòu)(尺寸為 46.8± 21.7μm)隨著沉積過(guò)程中埋弧熱源逐漸遠(yuǎn)離,后熱循環(huán)次數(shù)的逐漸增加,該柱狀微觀組織逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸均質(zhì)結(jié)構(gòu)(尺寸為 10.1 ± 4.2 μm),結(jié)果發(fā)現(xiàn)完整的CET過(guò)程需要至少四次連續(xù)熱循環(huán)。因SAAM過(guò)程自身獨(dú)有的沉積層大寬厚比、高熱輸入和高層間溫度的特點(diǎn),其加工構(gòu)件中每一沉積層的熱歷史與其他AM方法得到的存在顯著差異。當(dāng)沉積層的凈高度不超過(guò)一閾值(即受該沉積層影響下已沉積層細(xì)晶區(qū)的寬度)時(shí),每個(gè)新層中的微觀結(jié)構(gòu)都可以通過(guò)獨(dú)特的原位全層穿透IHT細(xì)化和均勻化。否則,將會(huì)形成一系列周期分布約1.7倍凈層厚間距的HAZ帶。幸運(yùn)的是,較高斷裂伸長(zhǎng)率值和平滑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表明HAZ帶并未對(duì)機(jī)械性能造成影響。
SAAM低碳鋼構(gòu)件均質(zhì)區(qū)因具有軟化、均質(zhì)的鐵素體基體上彌散分布低體積分?jǐn)?shù)滲碳體相的微觀組織特征,其UTS和?分別達(dá)到了454 MPa和29.8%(水平方向),441 MPa和35.6%(垂直方向),維氏硬度穩(wěn)定在約148 HV。拉伸、夏比沖擊和維氏硬度測(cè)試表明機(jī)械近似各向同性。輕微球化的滲碳體顆粒、可動(dòng)線型位錯(cuò)、細(xì)晶粒和 HAGB 的形成顯著降低和分散了α-Fe基體中的內(nèi)部應(yīng)變,從而獲得了優(yōu)異的延展性和沖擊韌性(-60℃夏比沖擊韌性超過(guò)300J,韌脆轉(zhuǎn)變溫度低至?102 °C)。
圖1 (a)三維SAAM平臺(tái);(b)SAAM設(shè)備的z軸放大圖(包含焊絲、送絲機(jī)構(gòu)、焊劑料斗和SAW焊槍);(c) SAAM 的加工過(guò)程示意圖和溫度測(cè)量點(diǎn)的位置(未展示焊劑擋板);(d) 掃描路徑與SAAM-EM12K鋼構(gòu)件成品
圖2 (a)SAAM構(gòu)件從柱狀晶區(qū)(CGZ)到均質(zhì)區(qū)的光學(xué)顯微照片(由右上角的橙色框表示)。(b)晶粒尺寸隨相對(duì)高度的變化。圖(c)、(d)、(e)和(f)為(a)中用‘c’、‘d’、‘e’和‘f’標(biāo)記的選定區(qū)域的放大SEM顯微照片;(g)是(f)中用‘g’標(biāo)記的區(qū)域的放大 SEM顯微照片。
圖3 距SAAM構(gòu)件頂部 (a) 6 mm、(b) 30 mm 和 (c) 50 mm 處 P 的SEM顯微照片。(d)和(e)分別是(a)和(c)中標(biāo)記為‘d’、‘e’的區(qū)域的放大TEM顯微照片。(f)示意圖展示了P的測(cè)試點(diǎn),以及相應(yīng)位置的尺寸和面積分?jǐn)?shù)。
圖4(a)反極圖(IPF),(b)取向差角度圖,(c)Kernel平均錯(cuò)位角(KAM)彩色圖,(d)指示測(cè)試位置的示意圖(測(cè)試位置距頂部50mm),(e)錯(cuò)位角分布,(f)KAM分布
圖5(a)CGZ(未收到熱影響)和(b)均質(zhì)區(qū)(經(jīng)歷36次后熱循環(huán))的位錯(cuò)形態(tài)
圖6(a)由熱電偶(TC1-TC4)測(cè)得的典型SAAM加工過(guò)程的構(gòu)件熱歷史,熱電偶(TC1-TC4)在增材過(guò)程進(jìn)行中分別于完成第1,14,28和48層后距離頂部3.5mm,7.5mm, 7mm和9mm處墻的側(cè)壁點(diǎn)焊。藍(lán)色虛線框表示在(b)中放大的區(qū)域,其中顯示了從第29到第33沉積層的五次連續(xù)熱歷史(用紅色實(shí)線表示)。除了測(cè)量的熱歷史之外,圖(b)還給出了假想的無(wú)法測(cè)量的第4次和第5次熱循環(huán)(用灰色虛線表示)。(c)光學(xué)顯微鏡下的組織與通過(guò) TC3 獲得的熱循環(huán)的相對(duì)位置一致,其中每道由虛線分隔(紅色代表道次6-10,白色代表推測(cè)的無(wú)法測(cè)量的道次4和5)。(d)使用JMatPro計(jì)算得到的α-Fe和奧氏體相平衡體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化
圖7原位IHT過(guò)程中的微觀組織演變示意圖(a)整體視圖和(b)NIT作用下的組織相變過(guò)程
圖8 SAAM樣品在垂直和水平方向的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖顯示了相應(yīng)的光學(xué)顯微照片,其中α-Fe在垂直和水平方向上均呈現(xiàn)等軸晶特征
圖9層間溫度約為300℃時(shí)SAAM樣品的沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線。TDBTT通過(guò)使用Boltzmann函數(shù)擬合沖擊吸收功與溫度曲線來(lái)確定。