《JMR&T》高強鋼電弧增材制造中組織與力學(xué)性能的局部控制

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

荷蘭代爾夫特理工大學(xué)研究人員對高強鋼電弧增材制造中組織與力學(xué)性能的局部控制進(jìn)行研究，沿著成型方向?qū)崿F(xiàn)了局部微觀結(jié)構(gòu)和性能控制。相關(guān)研究成果以“Local Control of Microstructure and Mechanical Properties of High-strength Steel in Electric Arc-based Additive Manufacturing”為題發(fā)表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

研究亮點：
•通過調(diào)節(jié)熱輸入和通道間溫度來實現(xiàn)功能分級。

•沿著成型方向?qū)崿F(xiàn)了局部微觀結(jié)構(gòu)和性能控制。

•低熱輸入?yún)^(qū)表現(xiàn)出較高的馬氏體分?jǐn)?shù)。

•在LHI區(qū)觀察到更高的硬度和極限抗拉強度。


增材制造(AM)，也稱為3D打印，是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，可以逐層生產(chǎn)接近凈形狀的零件，并為航空航天，海事和汽車等各個行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計，制造和維修提供革命性的前景。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造因其高度定制、制造靈活性和復(fù)雜沉積特征的結(jié)合而脫穎而出。電弧線材增材制造(WAAM)工藝涉及將線材形式的材料提供到電弧熱源加熱的區(qū)域，并沿預(yù)定路徑沉積產(chǎn)生的熔融材料，通常源自計算機輔助設(shè)計(CAD)文件。由于可實現(xiàn)的高沉積速率和制造效率，WAAM適用于制造尺寸超過一立方米的大體積零件。增材制造中應(yīng)用的弧焊工藝主要有鎢氣弧焊(GTAW)、等離子弧焊(PAW)和金屬氣弧焊(GMAW)。與GTAW和基于PAW的AM相比，GMAW在實踐中通常是首選的，因為沉積材料從焊槍同軸供應(yīng)，不需要外部送絲器，從而簡化了刀具軌跡規(guī)劃。而且，其沉積速率普遍高于GTAW和PAW。基于GTAW的AM具有高沉積速率(通常1-10 kg hr -1)，低材料浪費和高工藝效率(約為90%)。它還為局部成分和微觀結(jié)構(gòu)控制(也稱為功能分級)提供了巨大的潛力。
增材制造為生產(chǎn)具有明顯局部微結(jié)構(gòu)和機械性能的金屬部件提供了巨大的潛力。雖然功能分級通常是通過成分變化或原位熱機械處理來完成的，但增材制造過程中工藝參數(shù)的變化可以提供一種具有發(fā)展前景的替代方法。以電弧為基礎(chǔ)的增材制造工藝為研究對象，通過調(diào)整速度和通道間溫度對高強鋼(S690級)進(jìn)行功能分級。通過對單片珠層板沉積的熱模擬與實驗測量相結(jié)合，表明通過合理調(diào)整工藝參數(shù)可以控制零件的微觀組織和力學(xué)性能。為了演示功能分級，使用恒定的送絲速率和不同的移動速度制作了一個矩形塊。矩形塊由夾在高熱輸入?yún)^(qū)(HHI)之間的低熱輸入?yún)^(qū)(LHI)沉積而成。

實驗設(shè)置
在尺寸為140 × 50 × 10 mm3的襯底上，以5 ~ 20 mm s - 1的不同速度制備了長度為120 mm的單片珠層沉積。然后使用多組工藝參數(shù)來局部控制微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，生產(chǎn)尺寸為125× 21 × 23 mm3的矩形塊，如圖1所示。通過改變運動速度來實現(xiàn)塊體性能的功能分級，并根據(jù)單片珠層板評估結(jié)果選擇工藝參數(shù)。

圖1：(a)基于電弧的增材制造工藝示意圖，通常稱為線弧增材制造(WAAM)。(b)沉積矩形塊體的高和低熱輸入?yún)^(qū)域示意圖。塊上的黃色箭頭表示雙向打印策略。

高低溫區(qū)由多邊形鐵素體、針狀鐵素體和貝氏體混合組成，低低溫區(qū)主要由馬氏體組成。硬度和基于輪廓的壓痕塑性測量表明，與HHI區(qū)相比，LHI區(qū)具有更高的硬度(32%)和強度(50%)，但較低的均勻伸長率(80%)。目前的研究表明，通過調(diào)整電弧增材制造的工藝參數(shù)，有可能實現(xiàn)功能分級，為零件的定制特性提供機會。


本研究的目的是通過調(diào)節(jié)熱輸入和通道間溫度，局部控制電弧增材制造中高強鋼合金(S690)的顯微組織和力學(xué)性能(即功能分級)。可以假設(shè)，隨著熱輸入和通道間溫度的降低，可以獲得更高的馬氏體相分?jǐn)?shù)、硬度和材料強度。在這個過程中，熱量的輸入是通過改變運動速度來控制的。建立了基于有限元法的數(shù)值模擬方法來預(yù)測WAAM過程中的熱分布。用增材制造了一個測試長方體，并對從沉積塊體中提取的樣品進(jìn)行了顯微結(jié)構(gòu)表征和顯微硬度測量。此外，為了確定構(gòu)造部件的局部屈服和極限抗拉強度，使用基于輪廓學(xué)的壓痕塑性測量(PIP)技術(shù)進(jìn)行了測量。詳細(xì)討論了不同區(qū)域的組織演變及相應(yīng)的力學(xué)性能。本研究的結(jié)果有助于我們對高強鋼合金WAAM的組織控制和力學(xué)性能定制的理解。
模擬中使用了與溫度相關(guān)的材料特性，這些特性是使用JMatPro軟件根據(jù)材料成分確定的，如圖2所示。

圖2：熱模擬中使用的高強鋼的溫度相關(guān)材料性能。

將數(shù)值預(yù)測的熱分布與實驗測量的基片上兩點的溫度進(jìn)行了比較，實驗速度為5 mm s−1，結(jié)果如圖3所示。

圖3：比較了位于襯底中間的兩個監(jiān)測點的數(shù)值預(yù)測和實驗測量溫度，分別距離沉積珠的中心線8mm和16mm。數(shù)據(jù)采集自單珠板實驗，運動速度為5 mm s−1。

圖4：本研究采用的高強鋼成分對應(yīng)的CCT(連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變)圖。

以8 mm s−1和20 mm s−1速度沉積的單珠的光學(xué)顯微照片如圖5所示。低速沉積的球體呈現(xiàn)多邊形鐵素體、針狀鐵素體、貝氏體和低碳馬氏體的混合組織，類似于5 mm s−1速度沉積的球體。

圖5：在不同的運動速度下沉積的珠子的光學(xué)顯微照片:(a) 8 mm s−1和(b) 20 mm s−1。

圖6顯示了平均硬度，證實了硬度隨行程速度增加而增加的預(yù)期趨勢。在5 mm s−1下沉積的樣品硬度約為260 HV0.1。在20 mm s−1溫度下沉積的樣品硬度最高，達(dá)到440 HV0.1，這是由于沉積材料的快速冷卻和較高的馬氏體相分?jǐn)?shù)所致。這種硬度隨速度變化的變化表明，通過控制高強鋼的工藝參數(shù)，電弧增材制造可以實現(xiàn)漸變的顯微組織和性能。

圖6：單珠板鍍層維氏硬度隨運動速度的變化。

宏觀結(jié)構(gòu)和晶粒結(jié)構(gòu)
圖7顯示了功能分級塊的橫截面，顯示了缺乏孔隙度和缺乏融合。圖7(b)是高h(yuǎn)i區(qū)(下)和低hi區(qū)(上)之間界面的高倍光學(xué)顯微照片。在兩個區(qū)域之間的界面處，微觀結(jié)構(gòu)特征的顯著變化是可見的。高低溫區(qū)有較多的粗晶粒，而低低溫區(qū)有較細(xì)的晶粒。

圖7：(a)功能梯度塊的橫截面和(b)低熱量輸入(LHI)和高熱量輸入(HHI)區(qū)域之間的界面(b)。子圖(b)描述了子圖(a)中黑色矩形指定區(qū)域的放大。

圖8：在樣品的低熱輸入(LHI)區(qū)域的橫截面上觀察到柱狀和等軸晶粒。位于黃線之間的區(qū)域顯示等軸晶粒。

高熱輸入?yún)^(qū)顯微組織演變
兩個HHI區(qū)域的光學(xué)和掃描電鏡如圖9所示。顯微照片顯示在兩個HHI區(qū)域存在相似的顯微結(jié)構(gòu)成分。高熱輸入?yún)^(qū)的顯微組織成分主要為多角形鐵素體、針狀鐵素體、粒狀貝氏體和微量馬氏體。

圖9：光學(xué)顯微圖顯示(a) HHI底部區(qū)域和(b) HHI頂部區(qū)域，掃描電鏡顯微圖顯示(c) HHI底部區(qū)域和(d) HHI頂部區(qū)域。觀察到不同鐵素體形態(tài)和馬氏體的混合顯微組織。黃色箭頭表示馬氏體-奧氏體島。

HHI區(qū)域的XRD譜圖如圖10所示。

圖10：(a)功能梯度塊的宏觀圖，顯示了記錄x射線衍射(XRD)模式的位置。(b)和(d)分別從頂部高熱輸入?yún)^(qū)和底部高熱輸入?yún)^(qū)獲得的XRD譜圖。(c)和(e)兩個HHI區(qū)XRD譜圖中殘余奧氏體峰的放大圖。

圖11提供了HHI區(qū)域的更高放大圖像。馬氏體-奧氏體島位于貝氏體板條之間，沿奧氏體晶界分布。

圖11：高熱輸入(HHI)區(qū)域的高倍圖像顯示了MA的不同形態(tài)。紅色箭頭表示條帶形態(tài)，黃色箭頭表示塊狀形態(tài)。

低熱輸入?yún)^(qū)顯微組織演變
低熱輸入?yún)^(qū)組織由低碳馬氏體、晶界鐵素體和Widmanstätten鐵素體組成，如圖12所示。

圖12：(a)低熱輸入(LHI)區(qū)域的光學(xué)顯微圖和(b)掃描電鏡顯微圖。黃色箭頭表示滲碳體顆�；騇A的存在。

低熱輸入?yún)^(qū)域的SEM顯微圖(圖13)顯示滲碳體的析出，表明回火馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。

圖13：低熱輸入(LHI)區(qū)域的放大圖，顯示了LHI區(qū)域內(nèi)回火馬氏體中的碳化物。

圖14的XRD測量證實了沒有檢測到殘留的奧氏體峰。與HHI區(qū)相似，在{110}、{200}和{211}處觀察到鐵素體峰。由于LHI區(qū)域的冷卻速率增加，奧氏體分解過程中碳的擴散有限。

圖14：(a)功能梯度塊的宏觀圖，顯示了x射線衍射(XRD)測量的位置。(b)從低熱輸入(LHI)區(qū)域獲得XRD圖，僅顯示鐵氧體峰。

維氏硬度與顯微組織的相關(guān)性
樣品沿構(gòu)建方向的硬度分布如圖15所示。

圖15：在功能分級塊的橫截面上沿成型方向測量硬度。

在低熱輸入?yún)^(qū)觀察到的較低的硬度值是由于存在一個白帶狀區(qū)域，很容易被誤認(rèn)為是熔合線。白帶區(qū)域和融合線如圖16(b)所示。

圖16：(a)在白色帶上進(jìn)行硬度測量，以驗證軟化的發(fā)生。(b)白色帶區(qū)域的壓痕。黃線之間的區(qū)域代表白色帶區(qū)域。紅色虛線表示融合線。

圖17：白帶區(qū)為不同鐵素體和馬氏體的混合組織。彩色箭頭表示不同的微觀結(jié)構(gòu)成分。黃色:上貝氏體，紅色:針狀鐵素體，綠色:下貝氏體或回火馬氏體，紫色:多邊形鐵素體，藍(lán)色:未回火馬氏體。

基于輪廓測量的壓痕塑性測量法
圖18給出了每個區(qū)域?qū)��?yīng)壓痕的PIP測量估計的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。底部和頂部HHI區(qū)域的屈服(50%)和極限抗拉強度(34%)都低于LHI區(qū)域。

圖18：應(yīng)力-應(yīng)變曲線來源于(a)頂部高熱輸入(HHI)區(qū)域、(b)中部低熱輸入(LHI)區(qū)域和(c)底部高熱輸入?yún)^(qū)域的基于輪廓學(xué)的壓痕塑性測量(PIP)測量。黃點表示PIP測量的凹痕位置。

結(jié)論
研究了利用電弧增材制造技術(shù)控制高強鋼S690的組織和力學(xué)性能。與以往的研究依賴于成分變化或原位熱機械方法來控制性能不同，該研究通過調(diào)整工藝參數(shù)來調(diào)節(jié)能量輸入并產(chǎn)生空間變化的微觀結(jié)構(gòu)�；�于本研究的結(jié)果，得出以下結(jié)論。
•在單珠片實驗中采用更高的運動速度導(dǎo)致800°C和500°C之間的冷卻速率增加，馬氏體相分?jǐn)?shù)更高，硬度更高。這證明了在基于電弧的增材制造中，通過調(diào)整移動速度來實現(xiàn)功能分級的可能性。
•通過對矩形塊體構(gòu)建方向橫截面的硬度測量，證實了其顯微組織的分級，低熱輸入?yún)^(qū)硬度值較高且波動較大，高熱輸入?yún)^(qū)硬度值較低且較為均勻。
•調(diào)整工藝參數(shù)可以觀察到矩形塊體中微結(jié)構(gòu)成分的空間變化，表明微結(jié)構(gòu)分級成功。在高強鋼的沉積過程中，使用較低的熱輸入，結(jié)合50°C的溫度，產(chǎn)生較高的冷卻速率，導(dǎo)致馬氏體的形成。相反，增加熱輸入和通道間溫度降低了冷卻速度，產(chǎn)生了多邊形和針狀鐵素體、貝氏體和馬氏體的混合組織，這可能與硬度測量有關(guān)。
•低熱輸入?yún)^(qū)硬度分布圖的波動是由臨界間再加熱熱影響區(qū)引起的，該熱影響區(qū)由于馬氏體(回火和未回火)、貝氏體和鐵素體的混合組織而具有較低的硬度。使用較低的行程速度來增加冷卻速度會造成微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，導(dǎo)致局部軟區(qū)硬度大大低于周圍材料。
•基于輪廓測量的塑性測量表明，與高熱輸入?yún)^(qū)域相比，低熱輸入?yún)^(qū)域的屈服和抗拉強度增加(約150 MPa)，伸長率降低(2.3%)。相反，由于晶界鐵素體、針狀鐵素體和回火馬氏體的存在，高熱輸入?yún)^(qū)表現(xiàn)出更高的延伸率(10.2%和12.4%)，表明這些區(qū)域可以容納更大的變形。
值得注意的是，本研究僅限于一種高強度低合金鋼，但所提出的獲得空間變化的顯微組織和性能的方法可以應(yīng)用于其他金屬材料。當(dāng)與數(shù)值模擬相結(jié)合時，這種方法可以導(dǎo)致對局部機械性能進(jìn)行控制的零件的制造。未來的研究應(yīng)檢查其他參數(shù)組合的影響，提高制造效率和性能評估，以開發(fā)這種定制微結(jié)構(gòu)的功能分級潛力。在零件的設(shè)計階段也應(yīng)該提高對可實現(xiàn)性能的認(rèn)識，以充分發(fā)揮WAAM功能分級的潛力。


相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.07.262