層間冷卻對電弧增材制造鈦合金構件性能的影響

趙昀，梁樂，孫宏偉，陳衛彬，張本順

（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222006）

0 前言

鈦合金具有密度小強度高、抗腐蝕性好、可加工性能好、熱膨脹系數低、環保性能好，使用壽命長等一系列卓越性能[1]，作為一種輕質高溫材料應用于航空、航天、航海、能源、化工等領域[2]。隨著鑄造和熔煉技術的發展，以及鈦合金構件設計、加工技術的進步，尤其是增材制造等新型材料加工技術的突破，鈦合金材料也逐漸廣泛用于大型建筑構件以及一般民用建筑上[3-4]。電弧增材制造(Wire arc additive manufacturing,WAAM)是以電弧為熱源，焊絲為原料，將熔敷金屬按設定的路徑逐層沉積、堆敷成形三維實體構件的一種近凈成形技術[5]，相比其它增材制造技術，WAAM堆積技術效率高、設備成本低、原材料利用率高、作業環境污染小，在大型金屬構件制造中具有廣闊的應用前景[6-8]。

在電弧增材制造過程中，受沉積層堆積高度的影響，熱傳導途徑由基板變為周圍空氣[9-10]，導致制造構件的組織不均一，具有明顯的各向異性，即使局部很小的相鄰區域，存在不同的組織結構[11-12]，因此，有效控制電弧增材熱循環改變或控制沉積層間溫度，從而控制沉積材料組織及性能，一直以來是WAAM技術領域的一個研究難點、熱點性問題[13-15]。

該文采用基于鎢極氬弧焊的增材制造(GTWAAM)工藝對Ti6Al4V 合金進行增材制造試驗，利用CO2進行層間冷卻，從而控制層間溫度，進一步利用金相顯微鏡、掃描電鏡、力學性能測試儀器等研究沉積結構的組織特性及力學性能。該研究為增材制造中層間溫度的控制策略及沉積結構質量的改善提供了有效的理論解決方案，并為工業制造應用提供了參考價值。

1 試驗方法

在Ti6Al4V 構件的電弧增材制造過程中，所需的試驗材料包括基板和焊絲兩部分?；宀牧蠟锳STM B265 標準Ti6Al4V 板材，尺寸為200 mm×150 mm×6 mm，焊絲材料為ASTM B863 標準Ti6Al4V 合金焊絲，直徑為1.2 mm。具體材料化學成分見表1。

表1 Ti6Al4V 鈦合金的化學成分（質量分數，%）

圖1 為GT-WAAM 工藝示意圖。鎢極氬弧焊槍提供熱源，送絲機提供填充原料，采用氬氣(99.9%)作為堆積過程中局部保護氣體，CO2作為層間冷卻氣體，為了避免冷卻氣體對電弧的干擾，當電弧停止時，啟動冷卻裝置，直至堆積層末端停止冷卻。試驗中，冷卻噴嘴行走速度與堆積速度保持一致。

圖1 GT-WAAM 工藝示意圖

焊接工藝參數為焊接電流110 A；電弧電壓13 V；行走速度95 mm/min；送絲速度820 mm/min；鎢極距母材高度3 mm；鎢極與焊絲間夾角60°；GTAW 焊槍保護氣體流量15 L/min；局部保護氣體流量10 L/min；冷卻氣體流量320 g/min。

2 試驗結果及分析

2.1 沉積過程熱循環曲線

圖2 為沉積過程中熱循環曲線?？梢钥闯?，層間冷卻可以改變熔池溫度，有效降低溫度的峰值及幅值。當采用CO2進行層間冷卻，平均層間等待時間為225 s，遠低于自然冷卻時層間等待時間1 300 s。與自然冷卻相比，采用CO2進行層間冷卻的制造效率可以提高至80%以上。另外，采用層間冷卻為增材過程中層間溫度的控制提供了有效解決方案，通過控制層間溫度，可以控制潛在組織結構的演化，從而改善成形構件的力學性能。

圖2 Ti6Al4V 合金GT-WAAM 熱循環曲線

2.2 沉積試樣形貌

2.2.1 宏觀形貌

圖3 為Ti6Al4V 合金GT-WAAM 試樣宏觀形貌?？梢钥闯?，電弧增材制造試樣明顯形成3 個區域：凹形層區、平行層區、凸形層區。不同區域層狀結構的成形主要由于堆積過程中散熱途徑的改變所引起，凹形層區主要集中于熱影響區，其大小由熱影響區大小決定。平行層區產生于試樣底部，由于沉積堆敷過程中，該區域主要通過基板熱傳導散熱，堆積層冷卻速率快，因此產生明顯的平行層結構。凸形層區產生于試樣頂部，在其形成堆敷過程中，由于熱量積累在堆積層內部，周圍對流散熱為主要散熱方式，因而冷卻速率較慢，這導致堆積層熔融凝固緩慢，從而引起層狀液相線的消失。由圖3 可知，采用CO2進行層間冷卻后，試樣的平行層區及凸形層區的帶寬明顯大于自然冷卻試樣的帶寬，這是由于堆積層冷卻速率加快可以引起熔融層凝固加快，另外，由宏觀形貌可知，沿著豎直方向有明顯的柱狀晶組織產生，其與熱梯度的方向一致。

圖3 Ti6Al4V 合金GT-WAAM 試樣宏觀形貌

2.2.2 微觀形貌

圖4 為Ti6Al4V 合金GT-WAAM 試樣微觀形貌。由于溫度梯度和凝固速率的影響，當采用自然冷卻時，試樣底部平行層區形成魏氏組織，片狀的α 相相互交織，如圖4(a)所示；在凸形層區域，由于累積熱引起的溫度梯度的改變，片狀的α 相進一步分解為薄層狀的α 結構，如圖4(b)所示。對于CO2層間冷卻制備的Ti6Al4V 試樣，由于高的冷卻速率，熔池液相過冷度相對于自然冷卻的過冷度增大，在平行層及凸形層微觀組織中明顯形成針狀的α′相，如圖4(c)和圖4(d)所示。也就是說，當采用快速層間冷卻時，大量的片狀α 相會被針狀的α′相所取代，同時伴隨著晶粒細化。

圖4 Ti6Al4V 合金GT-WAAM 試樣微觀形貌

2.2.3 冷卻氣體中的C 與O 元素影響

圖5 為冷卻試樣元素分布示意圖。試樣底部Ti，Al，V，O 的質量分數分別為88.64%，4.37%，3.50%，3.50%，上部組織中Ti，Al，V，O，C 質量分數分別為81.10%，3.56%，2.92%，5.75%，2.65%?？梢钥闯?，在下部區域沒有C 元素的存在，而上部區域（凸形層區），C和O 元素的含量明顯增加。這是因為隨著層數的增高，產生的熱積累可能導致冷卻氣體CO2與堆積金屬發生潛在的化學反應，從而導致氣體中O 與C 滲透到堆積金屬組織中。

一般情況下，氧元素在Ti6Al4V 合金的α 相中具有較高的溶解度，容易形成間隙固溶相，使晶體結構發生嚴重變形，從而提高組織的硬度和強度，但會降低組織的斷后伸長率，同時，過多的O 元素及C 元素會導致接頭性能的弱化，極大降低所制試樣的質量。因此，層間冷卻氣體流量、時間及局部保護氣體狀態需要進一步優化，以確保沉積試樣中O 含量維持在合理水平。

2.3 力學性能分析

2.3.1 硬度分析

采用型號為DuraScan 70 自動顯微硬度儀對增材試樣進行顯微硬度測試。測試前將試樣打磨拋光，測試區域為整個堆焊增材制造區域由底部到頂部沿著中線，間隔1 mm 取1 采樣點。在試驗中，加載載荷為0.98 N，加載時間為15 s，試驗采用ASTM：F2924 標準。

圖6 為GT-WAAM 試樣在自然冷卻及層間冷卻下的硬度?？梢钥闯?，層間冷卻的平均顯微硬度略高于自然冷卻的顯微硬度，當采用CO2進行強制層間冷卻時，堆積層冷卻速度快于自然冷卻，從而給組織帶來更多的晶界和位錯，產生更高的顯微硬度。此外，在高冷卻速率下獲得的Ti6Al4V 組織由大量針狀和非平衡成分的α′相組成，它們通常在高冷卻速率下比在低冷卻速率下硬度、強度更高。值得注意的是，對于自然冷卻試樣來講，片狀α′相與薄層狀α′相具有相似的結晶結構，即使在改變工藝條件的情況下，其硬度在整體上也是均勻分布的。

圖6 GT-WAAM 試樣顯微硬度

2.3.2 強度分析

利用型號為MTS370 電子萬能材料拉伸試驗機對電弧增材制造試樣（沿行走方向取樣）進行拉伸試驗，拉伸試樣采取非標準光滑試樣，試驗溫度為25 ℃，拉伸速率為0.4 mm/min.

圖7 為GT-WAAM 試樣在自然冷卻和層間冷卻狀態下的抗拉強度及斷后伸長率?？梢钥闯?，與構件采用自然冷卻的方式相比，采用CO2層間冷卻方式，構件具有較高的拉伸強度及較低的斷后伸長率，說明層間冷卻有利于提升GT-WAAM 制造構件的材料性能。對于Ti6Al4V 的α+β 組織結構，高的冷卻速率及快速凝固有利于β 相的增加，更易達到相平衡狀態[5]，從而提高強度。

圖7 GT-WAAM 試樣力學性能

3 結論

（1）在電弧增材制造過程中應用層間冷卻，層間等待時間可極大縮短，制造效率可提高至少80%。

（2）堆積過程種散熱途徑改變及熱積累引起堆積試樣組織產生凹形層區、平行層區、凸形層區。合理控制層間溫度，進而控制帶狀組織區域的發展有利于改善結構的力學性能。

（3）采用CO2氣體層間冷卻，有利于電弧增材制造構件質量的改善，其可以細化組織晶粒，得到針狀的α′相，從而提高組織硬度，加強構件力學性能，但構件斷后伸長率稍有降低。