关键词：
增材制造
梯度材料
工艺
组织
性能
摘要：
传统方法制造功能梯度材料(Functionally graded material,FGM)存在制造效率低、材料结合度不高和致密度差等问题。丝材电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM)是将电弧作为热源,按照特定路径逐层堆积熔化的丝材,成形所需要的三维零部件的技术,具有沉积效率高、成本低和生产周期短以及设计自由度高等优点,为增材制造梯度材料提供了新思路。
基于TIG电弧的增材制造过程稳定,无飞溅,材料的适用性高,是一种具有巨大应用潜力的增材制造方法。但是,TIG电弧增材制造的熔敷效率较低,为提高熔敷效率,需要提高熔敷电流,而在熔敷电流较大时,会造成电弧压力过大,熔池失稳产生缺陷,不利于后续增材沉积过程的进行。本文将双TIG电弧应用于增材制造功能梯度材料,在相同电流下,双TIG电弧与传统TIG电弧相比,能显著降低电弧压力,提高熔敷率,同时抑制电弧高速移动时产生的咬边和驼峰等缺陷,是一种高效率的电弧增材模式。对此,本文将其应用于梯度材料的增材制造,深入研究了双丝双TIG电弧增材制造不锈钢/低碳钢梯度材料的工艺、微观组织、力学性能和腐蚀特性。
开展了单层单道熔敷试验,研究了不同工艺参数对沉积层形貌的影响规律。结果表明,随着电弧移动速度增加,熔敷层的平均宽度和平均高度均减小;随着送丝速度增加,熔敷层的平均宽度减小,平均高度增加;在总电流一定时,改变电流配比,随着电流配比增加,熔敷层平均宽度略微减小,平均高度略微增加。在此基础上,得到了成形良好的工艺窗口。进一步研究增材沉积路径对梯度墙体成形的影响,结果表明,采用往复沉积的方式得到的梯度墙体成形良好,未见明显宏观缺陷。
研究了两种丝材不同成分比例对不锈钢/低碳钢单道熔敷层金属的微观组织、硬度和耐腐蚀性能的影响。结果表明,当不锈钢含量为0%和20%时,微观组织为马氏体和铁素体;随着不锈钢含量的增加,γ相增加。随着不锈钢成分比例的增加,硬度先增加后减小。不同不锈钢成分比的熔敷层金属的硬度超过400 HV,且大于100%不锈钢和100%的低碳钢单道熔敷层金属。电化学腐蚀结果表明,与100%低碳钢试样相比,成分比例为1:1时,不锈钢/低碳钢熔敷金属试样具有更强的耐腐蚀性能。
在上述研究的基础上,通过改变两种丝材的送丝速度实现梯度材料薄壁墙体的逐层沉积,研究了熔敷金属成分、微观组织、物相和性能。结果表明,随着不锈钢成分占比的增加,Fe元素含量逐渐减小,Cr和Ni元素含量逐渐增加。随着不锈钢成分在梯度方向的增加,马氏体相减小,奥氏体相增加。增材制造不锈钢/低碳钢梯度墙体组织沿梯度方向变化,从靠近低碳钢侧的铁素体+马氏体过渡到中部区域的马氏体,再到中上部的马氏体、奥氏体最终过渡到最顶部的奥氏体+铁素体组织。
梯度墙体的硬度沿着沉积高度的方向逐渐增加,基板热影响区硬度突增,整个变化范围为160 HV至400 HV;拉伸试验结果表明,水平方向的抗拉强度为1224 MPa,竖直方向的抗拉强度为1106 MPa,延伸率分别为11%和12.5%。与填充丝材相比,抗拉强度显著增加,延伸率明显下降,但是仍有较高水平的塑性储备。断口分析表明,拉伸断口均由大量韧窝构成,表现为延性断裂的特征,且存在氧化夹杂。分析认为,梯度材料高硬度和低延伸率的主要原因是存在马氏体组织和氧化物夹杂。电化学腐蚀结果表明,不墙体顶部的耐腐蚀性能高于底部,底部马氏体结构不稳定,会影响到耐腐蚀性。
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