分享：电弧增材成型铝合金的组织及力学性能

摘 要:研究了2319铝合金冷金属过渡焊电弧增材成型试样沉积态及热处理态的显微组织、力 学性能,以及不同温度对弹性模量的影响。结果表明:沉积态纵向试样的抗拉强度比横向试样小 9.3%,纵向试样的抗拉强度存在各向异性;热处理后,试样的抗拉强度提高了约35%,纵向试样的 抗拉强度仍然存在各向异性;热处理后,纵向试样和横向试样的弹性模量基本一致,随着试验温度 的升高,弹性模量均呈下降趋势。 

关键词:电弧增材制造;冷金属过渡焊;显微组织;力学性能;弹性模量 

中图分类号:TB31                    文献标志码:A                               文章编号:1001-4012(2023)05-0005-04

电弧增材制造(WAAM)是在传统的焊接工艺 基础上升级而成的,具体流程为:按照计算机上规划 好的模型堆积,将材料熔化并沉积成所需要的尺寸, 以达到生产需求[1]。冷金属过渡焊(CMT)是一种 新型焊接工艺,具有焊接过程弧长控制精确、热输入 量小、飞溅少等工艺特点,适用于低熔点金属的增材 制造[2]。普通的CMT工艺不适合焊接厚度较大的 板材,因此在 CMT 基础上开发了 CMT+PADV (交流脉冲焊接模式)工艺,该工艺增大了热输入,可 以焊接更厚的板材,且表面成型质量更好。 

2319铝合金属于2系铝合金,强度和硬度较 高,可进行热处理,是良好的航空航天工业材料。 2319铝合金与典型的航空航天用2219铝合金相 比,化学成分相差不大,但价格较低。目前,国内许 多学者对CMT电弧增材成型2319铝合金的显微 组织和力学性能进行了大量的研究,张文明等[3]研 究了送丝速率、焊接速率、层间等待时间等因素对 2319铝合金成型组织的影响,以获得最佳成型参 数;任惠圣等[4]对不同热处理工艺下,CMT电弧增 材成型2319铝合金构件的组织和力学性能进行了 研究,发 现 热 处 理 后 构 件 的 最 高 抗 拉 强 度 为 386.2MPa。目 前,国 内 对 CMT 电 弧 增 材 制 造2319铝合金弹性模量的研究较少。 

笔者对 CMT 电弧增材成型2319铝合金沉积 态及热处理态的显微组织、力学性能进行研究,并对 不同温度下试样弹性模量的变化情况进行研究,结 果可为提高 CMT电弧增材成型2319铝合金的力 学性能提供理论基础。

1 试验材料及方法 

1.1 试验材料 

采用直径为1.2mm 的ER2319铝合金焊丝进 行试验,基板厚度为30mm,材料为 AA2219铝合 金,试验前用丙酮脱脂对基板进行清洗,然后抛光。 焊丝的化学成分分析结果如表1所示。 

1.2 试验方法 

1.2.1 成型工艺及热处理 

采用电弧增材成型方式制备2319铝合金试样 (WAAM2319),成 型 方 式 为 CMT + PADV。 WAAM2319试样的宏观形貌如图1所示,分为纵 向试样和横向试样。

WAAM2319试样的热处理方法为:固溶处理, 将试样放置在马弗炉中,随炉升温至535 ℃,保温 1h,从炉中取出后立即进行水淬;人工时效,将试样 随炉升温至175℃,保温6h,随炉冷却至室温。

1.2.2 力学性能测试 

拉伸试样的取样位置如图2所示,拉伸试样的 尺寸如图3所示。取拉伸试验完成后的试样进行硬 度测 试,测 试 位 置 如 图 4 所 示。拉 伸 试 验 在 INSTRON5982型万能拉伸试验机上进行。采用 HB-300C型布氏硬度计进行硬度测试,每个试样测 3个点并取平均值。

弹性模量试样的取样位置如图5所示。使用 RFDA HT1600-DS型高温弹性模量测试仪进行测 试,测试温度分别为室温、100℃和150℃,弹性模量试样为80mm×20mm×4mm(长度×宽度× 高度)的板状试样,每个方向测量两个试样,每个试 样测量3次,然后取平均值。

1.2.3 金相检验 

金相试样的取样位置如图4所示,将试样进行树 脂热镶后,分别用粒度为240,600,1200,2000目 (1目=25.4mm)的水磨砂纸在流水下进行打磨,然 后依次用粒度为9μm和3μm的金刚石研磨膏进行 粗抛光,最后用粒度小于0.05μm的硅胶悬浊液进行 精抛光,得到镜面试样,用乙醇冲洗并吹干。用 ImagerM2m型光学显微镜对试样进行金相检验。

2 试验结果与讨论 

2.1 金相检验 

沉积态试样的显微组织形貌如图6所示。由图6 可知:纵向试样的组织出现分层,形态为较大等轴枝晶、柱状晶和细小等轴晶;横向试样的组织为等轴晶。

热处理态试样的显微组织形貌如图7所示。由图 7可知:组织中存在的枝晶及晶间、晶内的第二相颗粒 在热处理后基本消失,晶粒尺寸较均匀,且较大。

试样中气孔的微观形貌如图8所示,可见试样 中气孔尺寸较小,大部分气孔的直径小于80μm,气 孔呈圆形,且单独分布。

2.2 力学性能测试 

2.2.1 拉伸试验 

试样的抗拉强度测试结果如图9所示,可见沉 积态试样的抗拉强度在同一方向上分布均匀,纵向 试样的抗拉强度比横向试样的抗拉强度小9.3%, 纵向试样的抗拉强度存在各向异性;热处理态试样 的抗拉强度较沉积态试样的抗拉强度提高了约 35%,纵向试样的抗拉强度比横向试样的抗拉强度 小9.7%,纵向试样的抗拉强度存在各向异性。

2.2.2 硬度测试 

试样的硬度测试结果如图10所示,可见沉积态试样的硬度在同一方向上差距较小,且分布均匀,纵 向试样的硬度与横向试样的硬度基本一致;热处理 态试样较沉积态试样的硬度提高了约40%,且纵向 试样的硬度与横向试样的硬度基本一致,存在较小 的各向异性。 

2.2.3 弹性模量测试

热处理态试样的弹性模量测试结果如图11所 示,可见纵向试样和横向试样的弹性模量基本一致, 随着试验温度的升高,弹性模量均呈下降趋势。

3 综合分析 

由金相检验结果可知:沉积态纵向试样的组织 出现分层,原因是当焊缝发生凝固时,下一层焊缝会 使已经凝固的焊缝重新熔化,而 WAAM 是层层堆 积的过程,层间的热循环比较复杂,焊缝熔池凝固是 一个典型的非平衡凝固过程,各层间经历了多次重 熔,散热变慢,且热输入增加,导致液态金属的停留 时间变长,晶粒尺寸变大,最终形成了较大等轴晶和 柱状晶;层间重熔过程中,有小部分区域迅速冷却, 最终形成了细小等轴晶;增材成型过程中,横向试样 的受热比较均匀,其显微组织以等轴晶为主。经热 处理后,附着在晶界上的大部分共晶物颗粒发生溶 解,扩散进入铝基体,Cu原子在铝基体中的极限固 溶度小于合金中的Cu原子含量,有一部分Cu原子 无法溶解,固溶处理后仍然以 Al-Cu化合物的形式 存在,因此热处理态试样的基体上仍均匀分布有颗 粒状第二相,颗粒状第二相为θ(Al2Cu)相。试样中 的气孔大部分是氢气孔,还有少部分是凝固过程中, 因晶间金属补充不及时而形成的孔洞。在电弧的高 温作用下,丝材中残留的水分、油脂和碳氢污染物迅 速分解为氢原子并进入熔池,最终形成气孔,同时氢 气孔会依附在第二相颗粒或枝晶臂等形核质点处, 在凝固前形核并长大。试样中大量形状不规则的共 晶物和枝晶组织会为气孔提供形核质点,促进其形 核并脱离,但是细小的枝晶会阻碍气孔相互合并,因 此试样中气孔的尺寸较小。

由力学性能测试结果可知:热处理态试样的抗 拉强度较高,原因是热处理过程中,形成了高温固溶 体,在随后的时效处理过程中,冷却速率较快,高温 固溶体形成了具有大量空位的Cu溶质原子过饱和固溶体,多余的Cu原子从晶界处析出,形成了析出 强化[5-7]。纵向试样的力学性能存在各向异性,原因 是试样经热处理后,在Cu原子的析出强化作用下, 试样的抗拉强度升高,热处理后纵向试样仍然存在 尺寸较大的柱状晶,横向试样为尺寸较小的等轴晶, 因此纵向试样的抗拉强度低于横向试样的抗拉强 度。弹性模量反映了原子间结合力的大小,随着试 验温度升高,原子间的间距增大,原子间的结合力减 弱,弹性模量降低[8]。 

4 结论 

WAAM2319沉积态和热处理态纵向试样的抗 拉强度存在各向异性,原因是纵向试样的组织不均 匀,存在分层现象。热处理后,试样的抗拉强度和硬 度升高,原因是试样经热处理后,存在Cu原子的析 出强化作用。热处理后,纵向试样和横向试样的弹 性模量基本一致,随着试验温度的升高,弹性模量均 呈下降趋势。

参考文献: 

[1] 曹嘉明.电弧熔丝增材制造高强钢零件工艺基础研究 [D].武汉:华中科技大学,2017. 

[2] 顾江龙.CMT工艺增材制造 Al-Cu-(Mg)合金的组织 与性能的研究[D].沈阳:东北大学,2016. 

[3] 张文明,韩嘉伟.2319铝合金电弧增材制造成型和组 织[J].沈阳大学学报(自然科学版),2020,32(3): 194-199. 

[4] 任惠圣,靳鹏,康克新,等.2319铝合金电弧增材热处 理工艺及性能研究[J].金属加工(热加工),2021 (10):6-11. 

[5] BAIJ Y,FAN C L,LIN S B,etal.Mechanical propertiesandfracturebehaviorsof GTA-additive manufactured 2219-Al after an especial heat treatment[J].JournalofMaterialsEngineeringand Performance,2017,26(4):1808-1816. 

[6] CONGBQ,DINGJL,WILLIAMSS.Effectofarc modeincold metaltransferprocessonporosityof additivelymanufactured Al-6.3%Cualloy[J].The InternationalJournal of Advanced Manufacturing Technology,2015,76(9):1593-1606. 

[7] 张先锋,杨晓,王真钟,等.影响铝合金弹性模量测量 精度的因素[J].理化检验(物理分册),2021,57(1): 32-34. 

[8] 潘留仙,焦善庆,杜小勇.高温下常用合金材料线胀系 数、杨氏模量与温度的关系[J].湖南师范大学自然科 学学报,2000,23(2):47-51. 

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 5期 (pp:5-8)>