吳凱，卜智翔，況小草，魏李庚，王立世

(湖北工業(yè)大學(xué),武漢,430068)

0 序言

電弧增材制造(wire arc additive manufacturing,WAAM)是以電弧為熱源，基于離散堆積原理通過自下至上材料逐層堆積的方式進行零件加工的新方法，具有成形效率高、設(shè)備成本低和材料利用率高的優(yōu)點，在大尺寸零件成形和模具修復(fù)方面具有獨特的優(yōu)勢[1-4].相關(guān)研究表明，以增材制造方式成形的構(gòu)件力學(xué)性能要優(yōu)于鑄造方式加工出的構(gòu)件[5].隨著汽車、航空、航天等相關(guān)行業(yè)材料輕量化的提出，鑄造鋁合金的應(yīng)用越來越廣泛，其中Al-Si 系合金憑借良好的耐磨性、良好的成形性和熱裂傾向較低的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于增材制造技術(shù)中[6-8].在成形方面，K?hler 等人[9]對4047 鋁合金和5356 鋁合金的電弧增材制造成形工藝和力學(xué)性能進行研究，結(jié)果表明，4047 鋁合金薄壁構(gòu)件比5356 鋁合金構(gòu)件的表面光潔度更差，其幾何結(jié)構(gòu)更加不均勻.Evjemo 等人[10]以4047 鋁合金焊絲為材料，研究了薄壁方盒的不熄弧增材路徑，結(jié)果表明，能夠提高增材效率，改善構(gòu)件成形質(zhì)量.雖然電弧增材制造成形效率高，但是因其熱量高導(dǎo)致增材件的精度低仍是增材制造技術(shù)面臨的主要問題[11-12].為降低熱量積累，相關(guān)學(xué)者對此進行過多項研究.Fu 等人[13]研究了一種新的熱絲電弧增材制造方法，結(jié)果表明，將導(dǎo)線連接到基板上產(chǎn)生的電阻熱可以輔助焊絲熔化以降低電弧能量輸入.Hackenhaar和Montevecchi 等人[14-15]研究了向增材構(gòu)件噴射氣體的方法以加快其冷卻，結(jié)果表明，向增材構(gòu)件噴射氣體可以有效降低層間溫度，防止熱量積累，但此種方法需外加空氣射流裝備，增加了試驗成本.陳克選等人[16]研究了基板底部有無水冷的溫度場變化規(guī)律，結(jié)果表明，添加水冷條件后，基板的冷卻速率顯著降低，構(gòu)件形貌的塌陷程度有較大的改善，但并未對其組織與性能進一步研究.

為降低增材制造過程中熱量積累，優(yōu)化4047 鋁合金構(gòu)件的成形質(zhì)量，通過在基板底部加裝水冷鋁板強制散熱，選用ER4047 鋁合金焊絲進行電弧增材試驗，制備了兩種不同工藝的直壁增材構(gòu)件，并與未加裝水冷鋁板制備的構(gòu)件進行對比，研究水冷約束對增材構(gòu)件微觀組織和力學(xué)性能的影響，以期為改善電弧增材4047 鋁合金構(gòu)件質(zhì)量提供實踐指導(dǎo)和理論依據(jù).

1 試驗方法

選用直徑為1.2 mm 的ER4047 鋁合金焊絲和200 mm × 100 mm × 5 mm 的6082 鋁合金基板作為試驗材料.增材設(shè)備采用ABB IRB-1410 型焊接機器人和MIG-500RP 型焊機.水冷鋁板尺寸為240 mm × 120 mm × 15 mm.采用TY-20 型焊接冷卻循環(huán)水箱，其最大流量為23 L/min.采用的保護氣體為純度99.999%氬氣；測溫裝置為CK-01A 型紅外溫度傳感器，數(shù)據(jù)在LabVIEW 上讀取和保存.

試驗前，先去除基板表面氧化膜.為防止試驗時基板受熱變形無法與水冷鋁板接觸，采用夾具對基板四周固定.表1 為設(shè)置的3 種構(gòu)件的工藝條件，電弧增材制造主要工藝參數(shù)見表2.規(guī)定沿平行焊縫方向為橫向，垂直于基板高度方向為縱向，橫向和縱向各取3 個拉伸試樣測試抗拉強度，然后取平均值，在直壁構(gòu)件縱向截面測試維氏硬度平均值.圖1 為增材制造示意圖，P 點為基板溫度監(jiān)測點，沿覆層堆敷方向，距離堆覆層起點70 mm，距離覆層中線垂直距離為27.5 mm，成形后的直壁構(gòu)件的取樣位置如圖2 所示.

圖1 附加水冷增材制造示意圖Fig.1 Schematic diagram of WAAM with water-cooling

圖2 拉伸試樣取樣位置Fig.2 Sampling locations of tensile specimens

表2 WAAM 工藝參數(shù)Table 2 Processing parameters of WAAM

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 增材構(gòu)件宏觀形貌與基板熱循環(huán)曲線

圖3 為直壁增材構(gòu)件宏觀形貌.從形貌上看，A 組整體形貌較好，每層焊道之間紋理均勻分明，表面相對平整；B 組增材構(gòu)件側(cè)壁略有溝壑起伏出現(xiàn)流淌現(xiàn)象，成形效果略差.由于A 組和B 組層間有熄弧冷卻，構(gòu)件兩端因逐層起弧和熄弧而出現(xiàn)塌陷.C 組宏觀形貌最優(yōu)，成形最好，側(cè)壁較為平整，因為增材過程中電弧未中斷，電弧與焊絲的伸出長度在成形過程中相對穩(wěn)定，構(gòu)件兩端沒有塌陷現(xiàn)象產(chǎn)生，使得其形貌優(yōu)于A，B 組構(gòu)件.

表3 為3 種構(gòu)件成形后的尺寸和時間參數(shù).在增材過程中，增材構(gòu)件若未能充分冷卻，后續(xù)熔覆時熱量會逐漸積累，使已增材部分保持較高的溫度，下層熔覆時熔池的尺寸增加，熔覆焊道的熔寬增加.由于焊接電流不變，總?cè)刍附z體積不變，因此熔覆焊道的余高減小.當(dāng)增材相同層數(shù)時，A 組工藝由于水冷鋁板的散熱作用，熱積累現(xiàn)象降低，使得單層焊道的高度略高于B 組.C 組工藝無層間冷卻，熱量積累現(xiàn)象最為嚴(yán)重，增材至相同的高度時需要花費更多的層數(shù).制備相同高度的試樣時，C 組需要堆敷更多層數(shù)，但因為沒有層間冷卻，C 組增材效率遠(yuǎn)優(yōu)于A 組和B 組，效率約為原來的5 倍.

表3 增材構(gòu)件的尺寸和制備時間Table 3 Size and preparation time of WAAM parts

圖4 為3 組試驗基板溫度監(jiān)測點的熱循環(huán)曲線.A 組和B 組試驗基板每一層最高溫度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最低溫度則呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，C 組試驗基板每一層最高溫度和最低溫度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.對比A 組和B 組不同的冷卻方式，A 組在有水冷鋁板的條件下，基板監(jiān)測點在第11 層最高溫度為115 ℃.B 組基板監(jiān)測點溫度的整體變化趨勢與A 組溫度變化趨勢大致相同，但由于無水冷，熱量逐漸積累，監(jiān)測點最高溫度在第12 層為134 ℃.C 組由于無層間冷卻，熱量積累現(xiàn)象在3 組試驗中最為嚴(yán)重，在第18 層峰值溫度達到最高值190 ℃，隨后各層的峰值溫度呈現(xiàn)略微下降的趨勢.

圖4 基板溫度監(jiān)測點P 熱循環(huán)曲線Fig.4 Thermal cycle curve of substrate temperature monitoring at point P.(a) group A and B;(b)group C

2.2 微觀組織

沿直壁增材構(gòu)件高度方向作切面，使用光學(xué)顯微鏡觀測增材構(gòu)件內(nèi)部組織，圖5、圖6 和圖7 分別為3 種工藝下增材構(gòu)件底層區(qū)(與基板相鄰區(qū)域)、中間層區(qū)和頂層區(qū)微觀組織.由于基板散熱較快，熔池冷卻過冷度大，晶粒來不及生長，因此底層組織晶粒尺寸相對較小，多以等軸晶為主.隨著增材層數(shù)的增加，熱量開始積累，熔池冷卻速率減緩，構(gòu)件的中間層區(qū)散熱趨于多向化，晶粒以粗大的柱狀晶和樹枝晶為主，晶粒尺寸較底層有所增大.由于構(gòu)件頂層區(qū)未經(jīng)歷加熱重熔，晶粒尺寸略小于中間層區(qū)晶粒尺寸，析出相多以魚骨狀為主.

圖5 底層區(qū)微觀組織Fig.5 Microstructure of bottom zone.(a) group A;(b) group B;(c) group C

對比3 種增材構(gòu)件從底層區(qū)至頂層區(qū)的微觀組織，3 種工藝條件下晶粒尺寸從底層區(qū)到中間層區(qū)都呈現(xiàn)增大的趨勢，但頂層區(qū)未經(jīng)歷重熔，晶粒的尺寸要略小于中間層區(qū)晶粒尺寸，且3 組試驗中A 組試樣晶粒小于B 組試樣晶粒，C 組試樣晶粒最為粗大.增材制造過程中，基板底部的水冷鋁板通過基板帶走部分熱量，使每次增材時前一層已沉積部分的初始溫度較小，減小了下一層沉積時的熱積累，提高了冷卻速度，使晶粒細(xì)化.

圖8 為3 組增材試樣X 射線衍射儀(X-ray diffractometer,XRD)掃描結(jié)果.4047 鋁合金焊絲的主要元素成分為Al 和Si，因此在增材構(gòu)件中發(fā)現(xiàn)較為典型的Al 相和Si 相.3 組試驗中C 組試樣峰值強度略高，在半峰寬基本相同的情況下，由于C 組構(gòu)件在增材過程中長時間保持高溫狀態(tài)，后續(xù)層增材時相當(dāng)于對前層增材組織進行熱處理，使溶于Al 基體中的Si 析出，因而C 組試驗Al 和Si 的峰值強度要高于A 組和B 組.通過能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)對B 組試樣不同區(qū)域組織進行點掃描測試，結(jié)果表明，增材構(gòu)件主要由Al-Si 共晶體和α-Al 基體和少量的氧化物組成，如圖9 所示.

圖8 增材構(gòu)件的XRD 圖譜Fig.8 XRD diagram of WAAM parts

圖9 B 組試樣EDS 點掃描結(jié)果Fig.9 EDS point scanning results of group B sample

2.3 力學(xué)性能

圖10 為3 種增材構(gòu)件的力學(xué)性能試驗結(jié)果.A 組、B 組、C 組3 組試樣平均硬度值依次降低，增材構(gòu)件的硬度與其晶粒大小有關(guān)，A 組增材構(gòu)件晶粒最小，因而其硬度相對較高，B 組次之，C 組試驗由于增材時熱積累最嚴(yán)重，晶粒最大，硬度最低.對比抗拉強度，A 組試樣最高，C 組試樣最低，且3 種構(gòu)件的橫向抗拉強度都高于縱向，在抗拉強度上略表現(xiàn)出各向異性.A 組與B 組相比，加裝了水冷鋁板，試樣的抗拉強度提高；A 組與C 組相比，設(shè)置了層間冷卻時間，試樣的抗拉強度提高，造成這種現(xiàn)象的原因是構(gòu)件晶粒得到細(xì)化，增材構(gòu)件抗拉強度提高.圖10b 為增材構(gòu)件的斷后伸長率，縱向試樣取樣于垂直堆敷層方向，相比于橫向試樣，縱向試樣更易在層間結(jié)合處發(fā)生斷裂，因此，縱向試樣要低于橫向試樣的的斷后伸長率.C 組試樣在增材過程中長時間處于高溫狀態(tài)，固溶的Si 元素析出較多，固溶強化效果減弱，強度降低，塑性提高，其斷后伸長率最高.3 種工藝制備的增材構(gòu)件的力學(xué)性能均達到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》[17]中ZL102 鑄造鋁合金(與4047 鋁合金成分相近)的規(guī)定要求，具備相應(yīng)的應(yīng)用前景.

3 結(jié)論

(1) 在不同工藝條件下，電弧增材制造4047 鋁合金直壁構(gòu)件.水冷連續(xù)增材直壁構(gòu)件宏觀形貌最優(yōu)且成形效率最高，雖然存在一定的熱積累現(xiàn)象，但已無堆覆層塌陷問題；水冷斷續(xù)工藝能夠有效降低熱積累，但增材直壁構(gòu)件兩端有塌陷產(chǎn)生.

(2) 3 種增材構(gòu)件底部微觀組織以等軸晶為主，其余各部位以柱狀晶和樹枝晶為主，增材構(gòu)件晶粒尺寸從底部至中間層部位逐漸增大.3 種工藝中，水冷斷續(xù)工藝制備的構(gòu)件晶粒尺寸最小，水冷連續(xù)工藝制備的構(gòu)件晶粒尺寸最大.

(3) 3 種工藝制備的直壁4047 鋁合金增材構(gòu)件，其抗拉強度和斷后伸長率均與ZL102 鑄造鋁合金相當(dāng).