來(lái)源:長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟
荷蘭代爾夫特理工大學(xué)研究人員對(duì)高強(qiáng)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)和性能控制瞭郑。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》上婿屹。
研究亮點(diǎn):?通過(guò)調(diào)節(jié)熱輸入和通道間溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)功能分級(jí)。?沿著成型方向?qū)崿F(xiàn)了局部微觀結(jié)構(gòu)和性能控制爽彤。?低熱輸入?yún)^(qū)表現(xiàn)出較高的馬氏體分?jǐn)?shù)养盗。?在LHI區(qū)觀察到更高的硬度和極限抗拉強(qiáng)度。增材制造(AM)适篙,也稱為3D打印必痢,是一種先進(jìn)的制造技術(shù),可以逐層生產(chǎn)接近凈形狀的零件漂手,并為航空航天涤朴,海事和汽車等各個(gè)行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì),制造和維修提供革命性的前景曼散。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比茁升,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)合而脫穎而出污兄。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)域鹰泡,并沿預(yù)定路徑沉積產(chǎn)生的熔融材料,通常源自計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)文件午四。由于可實(shí)現(xiàn)的高沉積速率和制造效率叛冠,WAAM適用于制造尺寸超過(guò)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)支礼、等離子弧焊(PAW)和金屬氣弧焊(GMAW)把奢。與GTAW和基于PAW的AM相比,GMAW在實(shí)踐中通常是首選的滨溉,因?yàn)槌练e材料從焊槍同軸供應(yīng)什湘,不需要外部送絲器,從而簡(jiǎn)化了刀具軌跡規(guī)劃晦攒。而且禽炬,其沉積速率普遍高于GTAW和PAW涧卵。基于GTAW的AM具有高沉積速率(通常1-10 kg hr -1)腹尖,低材料浪費(fèi)和高工藝效率(約為90%)柳恐。它還為局部成分和微觀結(jié)構(gòu)控制(也稱為功能分級(jí))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(jī)械性能的金屬部件提供了巨大的潛力热幔。雖然功能分級(jí)通常是通過(guò)成分變化或原位熱機(jī)械處理來(lái)完成的乐设,但增材制造過(guò)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(duì)象绎巨,通過(guò)調(diào)整速度和通道間溫度對(duì)高強(qiáng)鋼(S690級(jí))進(jìn)行功能分級(jí)近尚。通過(guò)對(duì)單片珠層板沉積的熱模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合,表明通過(guò)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)性能场勤。為了演示功能分級(jí)戈锻,使用恒定的送絲速率和不同的移動(dòng)速度制作了一個(gè)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)沉積而成首潮。實(shí)驗(yàn)設(shè)置在尺寸為140 × 50 × 10 mm3的襯底上彬膘,以5 ~ 20 mm s - 1的不同速度制備了長(zhǎng)度為120 mm的單片珠層沉積。然后使用多組工藝參數(shù)來(lái)局部控制微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能剑学,生產(chǎn)尺寸為125× 21 × 23 mm3的矩形塊绝皇,如圖1所示。通過(guò)改變運(yùn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)塊體性能的功能分級(jí)膨溃,并根據(jù)單片珠層板評(píng)估結(jié)果選擇工藝參數(shù)呐猴。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)肠祭。(b)沉積矩形塊體的高和低熱輸入?yún)^(qū)域示意圖常废。塊上的黃色箭頭表示雙向打印策略。
高低溫區(qū)由多邊形鐵素體螺啤、針狀鐵素體和貝氏體混合組成极棵,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(cè)量表明漆暑,與HHI區(qū)相比,LHI區(qū)具有更高的硬度(32%)和強(qiáng)度(50%)个扰,但較低的均勻伸長(zhǎng)率(80%)瓷炮。目前的研究表明,通過(guò)調(diào)整電弧增材制造的工藝參數(shù)递宅,有可能實(shí)現(xiàn)功能分級(jí)娘香,為零件的定制特性提供機(jī)會(huì)。本研究的目的是通過(guò)調(diào)節(jié)熱輸入和通道間溫度办龄,局部控制電弧增材制造中高強(qiáng)鋼合金(S690)的顯微組織和力學(xué)性能(即功能分級(jí))烘绽×苷眩可以假設(shè),隨著熱輸入和通道間溫度的降低安接,可以獲得更高的馬氏體相分?jǐn)?shù)翔忽、硬度和材料強(qiáng)度。在這個(gè)過(guò)程中盏檐,熱量的輸入是通過(guò)改變運(yùn)動(dòng)速度來(lái)控制的歇式。建立了基于有限元法的數(shù)值模擬方法來(lái)預(yù)測(cè)WAAM過(guò)程中的熱分布。用增材制造了一個(gè)測(cè)試長(zhǎng)方體胡野,并對(duì)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(cè)量材失。此外,為了確定構(gòu)造部件的局部屈服和極限抗拉強(qiáng)度厅员,使用基于輪廓學(xué)的壓痕塑性測(cè)量(PIP)技術(shù)進(jìn)行了測(cè)量困煤。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(duì)高強(qiáng)鋼合金WAAM的組織控制和力學(xué)性能定制的理解幻渤。模擬中使用了與溫度相關(guān)的材料特性技蝌,這些特性是使用JMatPro軟件根據(jù)材料成分確定的,如圖2所示熙屁。圖2:熱模擬中使用的高強(qiáng)鋼的溫度相關(guān)材料性能扁奢。
將數(shù)值預(yù)測(cè)的熱分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基片上兩點(diǎn)的溫度進(jìn)行了比較,實(shí)驗(yàn)速度為5 mm s?1匹憎,結(jié)果如圖3所示逻袭。圖3:比較了位于襯底中間的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度,分別距離沉積珠的中心線8mm和16mm业满。數(shù)據(jù)采集自單珠板實(shí)驗(yàn)肢俄,運(yùn)動(dòng)速度為5 mm s?1。
圖4:本研究采用的高強(qiáng)鋼成分對(duì)應(yīng)的CCT(連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變)圖李臀。
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所示憎兽。低速沉積的球體呈現(xiàn)多邊形鐵素體、針狀鐵素體吵冒、貝氏體和低碳馬氏體的混合組織纯命,類似于5 mm s?1速度沉積的球體。圖5:在不同的運(yùn)動(dòng)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痹栖。
圖6顯示了平均硬度亿汞,證實(shí)了硬度隨行程速度增加而增加的預(yù)期趨勢(shì)。在5 mm s?1下沉積的樣品硬度約為260 HV0.1揪阿。在20 mm s?1溫度下沉積的樣品硬度最高疗我,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)所致南捂。這種硬度隨速度變化的變化表明吴裤,通過(guò)控制高強(qiáng)鋼的工藝參數(shù)旧找,電弧增材制造可以實(shí)現(xiàn)漸變的顯微組織和性能。圖6:?jiǎn)沃榘邋儗泳S氏硬度隨運(yùn)動(dòng)速度的變化麦牺。
宏觀結(jié)構(gòu)和晶粒結(jié)構(gòu)圖7顯示了功能分級(jí)塊的橫截面钮蛛,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)顯微照片枕面。在兩個(gè)區(qū)域之間的界面處栖挣,微觀結(jié)構(gòu)特征的顯著變化是可見(jiàn)的。高低溫區(qū)有較多的粗晶粒贮祥,而低低溫區(qū)有較細(xì)的晶粒夫次。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)域的放大程昨。
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搔冈。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(gè)HHI區(qū)域的光學(xué)和掃描電鏡如圖9所示咖亏。顯微照片顯示在兩個(gè)HHI區(qū)域存在相似的顯微結(jié)構(gòu)成分肩菲。高熱輸入?yún)^(qū)的顯微組織成分主要為多角形鐵素體、針狀鐵素體已唐、粒狀貝氏體和微量馬氏體犹佣。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)域绞芽。觀察到不同鐵素體形態(tài)和馬氏體的混合顯微組織皱辞。黃色箭頭表示馬氏體-奧氏體島。
HHI區(qū)域的XRD譜圖如圖10所示歪架。圖10:(a)功能梯度塊的宏觀圖股冗,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譜圖和蚪。(c)和(e)兩個(gè)HHI區(qū)XRD譜圖中殘余奧氏體峰的放大圖止状。
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攒霹,沿奧氏體晶界分布怯疤。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)催束,黃色箭頭表示塊狀形態(tài)集峦。
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Widmanst?tten鐵素體組成泣崩,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)掃描電鏡顯微圖洛口。黃色箭頭表示滲碳體顆两酶叮或MA的存在凯沪。
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)洞歼。圖13:低熱輸入(LHI)區(qū)域的放大圖卫削,顯示了LHI區(qū)域內(nèi)回火馬氏體中的碳化物。
圖14的XRD測(cè)量證實(shí)了沒(méi)有檢測(cè)到殘留的奧氏體峰宣验。與HHI區(qū)相似赌矩,在{110}、{200}和{211}處觀察到鐵素體峰娇晦。由于LHI區(qū)域的冷卻速率增加浑梳,奧氏體分解過(guò)程中碳的擴(kuò)散有限。圖14:(a)功能梯度塊的宏觀圖镀匈,顯示了x射線衍射(XRD)測(cè)量的位置染窝。(b)從低熱輸入(LHI)區(qū)域獲得XRD圖,僅顯示鐵氧體峰砰洗。
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所示医惠。圖15:在功能分級(jí)塊的橫截面上沿成型方向測(cè)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(gè)白帶狀區(qū)域穿桃,很容易被誤認(rèn)為是熔合線器谦。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(cè)量痰哨,以驗(yàn)證軟化的發(fā)生胶果。(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)域作谭。紅色虛線表示融合線稽物。
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)成分折欠。黃色:上貝氏體贝或,紅色:針狀鐵素體,綠色:下貝氏體或回火馬氏體锐秦,紫色:多邊形鐵素體咪奖,藍(lán)色:未回火馬氏體。
基于輪廓測(cè)量的壓痕塑性測(cè)量法圖18給出了每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)壓痕的PIP測(cè)量估計(jì)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線酱床。底部和頂部HHI區(qū)域的屈服(50%)和極限抗拉強(qiáng)度(34%)都低于LHI區(qū)域羊赵。圖18:應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)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(cè)量(PIP)測(cè)量扇谣。黃點(diǎn)表示PIP測(cè)量的凹痕位置昧捷。
結(jié)論研究了利用電弧增材制造技術(shù)控制高強(qiáng)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(jī)械方法來(lái)控制性能不同冕咒,該研究通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)能量輸入并產(chǎn)生空間變化的微觀結(jié)構(gòu)撑葡∫嫠基于本研究的結(jié)果,得出以下結(jié)論艾抠。?在單珠片實(shí)驗(yàn)中采用更高的運(yùn)動(dòng)速度導(dǎo)致800°C和500°C之間的冷卻速率增加企棘,馬氏體相分?jǐn)?shù)更高,硬度更高惑妒。這證明了在基于電弧的增材制造中射传,通過(guò)調(diào)整移動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)功能分級(jí)的可能性。?通過(guò)對(duì)矩形塊體構(gòu)建方向橫截面的硬度測(cè)量泛驰,證實(shí)了其顯微組織的分級(jí)域曼,低熱輸入?yún)^(qū)硬度值較高且波動(dòng)較大,高熱輸入?yún)^(qū)硬度值較低且較為均勻茶黄。?調(diào)整工藝參數(shù)可以觀察到矩形塊體中微結(jié)構(gòu)成分的空間變化巾沟,表明微結(jié)構(gòu)分級(jí)成功。在高強(qiáng)鋼的沉積過(guò)程中崔败,使用較低的熱輸入祷安,結(jié)合50°C的溫度,產(chǎn)生較高的冷卻速率兔乞,導(dǎo)致馬氏體的形成汇鞭。相反,增加熱輸入和通道間溫度降低了冷卻速度庸追,產(chǎn)生了多邊形和針狀鐵素體霍骄、貝氏體和馬氏體的混合組織,這可能與硬度測(cè)量有關(guān)淡溯。?低熱輸入?yún)^(qū)硬度分布圖的波動(dòng)是由臨界間再加熱熱影響區(qū)引起的读整,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咱娶。使用較低的行程速度來(lái)增加冷卻速度會(huì)造成微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性米间,導(dǎo)致局部軟區(qū)硬度大大低于周圍材料。?基于輪廓測(cè)量的塑性測(cè)量表明膘侮,與高熱輸入?yún)^(qū)域相比屈糊,低熱輸入?yún)^(qū)域的屈服和抗拉強(qiáng)度增加(約150 MPa),伸長(zhǎng)率降低(2.3%)琼了。相反潦故,由于晶界鐵素體、針狀鐵素體和回火馬氏體的存在键切,高熱輸入?yún)^(qū)表現(xiàn)出更高的延伸率(10.2%和12.4%)庐穴,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?jī)H限于一種高強(qiáng)度低合金鋼蝇硅,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)用于其他金屬材料才昔。當(dāng)與數(shù)值模擬相結(jié)合時(shí),這種方法可以導(dǎo)致對(duì)局部機(jī)械性能進(jìn)行控制的零件的制造蛮昭。未來(lái)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(píng)估漠恰,以開(kāi)發(fā)這種定制微結(jié)構(gòu)的功能分級(jí)潛力腋积。在零件的設(shè)計(jì)階段也應(yīng)該提高對(duì)可實(shí)現(xiàn)性能的認(rèn)識(shí),以充分發(fā)揮WAAM功能分級(jí)的潛力蹲自。相關(guān)論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.07.262