基于等離子雙絲增材制造技術制備坡莫合金工藝探究

張伊諾，陳祖強，陳林波，耿燕飛，陳希章，彭康，王艷虎

溫州大學機電工程學院 浙江溫州 325035

1 序言

坡莫合金（Fe-Ni合金）是最具代表性的軟磁材料之一，因其具有高磁導率、低矯頑力和低磁滯損耗，而被廣泛應用于航空航天、汽車和精密電子設備等行業。隨著電子設備的多樣化和自動化，迫切需要開發具有良好可靠性的高性能軟磁材料[1，2]。此外，傳統的加工工藝，如鑄造、沖壓或粉末冶金等加工方法，目前加工的零部件主要集中在微型、帶狀部件的制備上，對于大型尺寸磁屏蔽裝置尚未涉及[3]。因此，探索和開發新型軟磁合金制造技術的必要性是顯而易見的。

增材制造技術由于具有快速成形、節約材料等優點而被認為是“大型制樣”的優選，廣泛應用在各行業的各種金屬增材制造領域[4，5]。坡莫合金增材制造絕大多數是通過激光選區熔化來實現的，采用激光熱源對粉末進行加熱熔化并逐層堆積，雖然具有可達微米級制造精度的顯著優勢，但本質上仍是粉末冶金過程，容易產生缺陷，且由于磁疇壁移動受阻，因此表現為磁導率降低及矯頑力提高[6-12]。電弧熔絲增材制造技術使用絲材作為填充材料，具有沉積效率高、沉積金屬致密度高、原材料利用率高、成本低等優點[13]，由于熔敷能量高，因此其金屬堆積空隙率極低，從而也確保了構件的結構可靠性。雙絲電弧增材制造能夠解決現有方法難以制備復雜結構零件和大型零件的問題，因此本論文選用等離子雙絲增材制造工藝制備坡莫合金。

2 材料與設備

制備坡莫合金的試驗設備包含KUKA智能化焊接系統，配備旁軸送雙絲的方式來實現等離子雙絲增材制造。該設備主要分為兩部分：焊接系統和機器人系統。焊接系統主要由以下設備組成：KUKA六軸機械臂、送絲機、工作臺、等離子弧焊槍與電源、數控設備、冷卻水循環設備和保護氣裝置。機器人及其控制系統為KUKA公司生產的KR20R1810-2和KRC4。該6軸機器人的額定負載為20kg，最大運動范圍為1813mm，位姿重復精度為±0.04mm。試驗中采用的基板是國產304不銹鋼，尺寸為180mm×100mm×10mm，其化學成分為：wC≤0.08%、wSi≤1.0%、wMn≤2.0%，wNi＝8%～15%、wCr＝18%～20%，余量Fe。通過改變不同的工藝參數，觀察不同沉積層的表面成形質量，其制備原理如圖1所示。另外，采用OLYMPUS U-MSSP光學顯微鏡進行顯微組織分析，HVS-1000A顯微硬度計檢測不同工藝下的顯微硬度。試驗中用于顯微組織觀察的腐蝕液配比為：氫氟酸∶硝酸∶水＝2∶6∶92。本試驗中設定了13種等離子雙絲增材制造工藝參數。

圖1 等離子雙絲制備坡莫合金原理

3 試驗結果與討論

3.1 不同焊接工藝條件下表面成形狀態

初步設定坡莫合金等離子雙絲增材制造工藝見表1。增材制造過程中產生大量飛濺，并且試樣表面存在較多的氣孔，起弧點堆積嚴重，由于第一層和第二層氣孔等缺陷的存在，導致第三層中間部分出現塌陷。外加堆積過程中焊接電流過大，熔池凝固過程中大量的氣泡逸出，導致液態熔池極不穩定，凝固過程中部分較大氣泡來不及逸出，形成較大氣孔。另外，堆積層尚未經過角磨機打磨，表面存在較多的氧化物，且每層堆積完后停留時間太短，新的一層堆積過程中就會導致熱量堆積，熱應力較大。最終導致試樣①含有大量氣孔，成形質量極差，并伴有較多氧化物存在表面，形成的波紋狀結構不明顯。

表1 第一次采用等離子雙絲增材制造工藝制備坡莫合金

為改善上述現象，第二次增材制造工藝采取降低焊接電流，進而降低熱輸入、減少起始點的停留時間來避免堆積，并且對每一堆積層進行打磨。改善后的等離子增材制造工藝參數見表2，表面成形狀態如圖2所示。由圖2可看出，當焊接電流降低到110A時，表面仍然存在大量氣孔，但是開始形成固定的波紋形狀，并且打印過程中飛濺減少，熔池整體穩定性相對有所提高。為了進一步改善表面成形質量，再次將焊接電流降低到80A，發現焊絲易熔融，且容易熄弧。然后又再次將焊接電流升高到125A，此時可看出表面成形質量提高。表面成形質量和基板的預熱溫度及冷卻速度相關度很大，且與熔池、等離子弧的穩定性密切相關。初步分析，形成氣孔的原因與形成的未熔物質有關，且與工藝參數不適合，與H、O等雜質元素相關。產生飛濺的原因初步推測是當焊接電流較大時，溫度較高，熔池流動性較強，等離子弧有很強的垂直于基板的沖力，從而導致飛濺。產生塌陷的問題主要是因為首層產生的氣孔，液態熔池會填充第一層的氣孔，導致熔滴從側邊滑出。

表2 第二次采用等離子增材制造工藝制備坡莫合金

再次調整工藝參數（見表3），焊接電流選擇了110A，干伸長還是8mm，氬氣流量是15L/min，此時提高了約10min層間等待時間，所獲得的表面成形狀態如圖3所示。由圖3a、b可看出，表面成形質量有所提高，并且每一層都采用打磨機對表面進行打磨拋光處理。每完成一次沉積后，立刻采用水冷進行降溫處理，然后等待10min后再進行下一層的沉積。在頭部和尾部均看到成形較差的現象，為了進一步分析，對圖3c中A、B、C3個部位進行切割，較系統地分別觀察試樣③的各個部位成形質量。由圖3d～f可看出，在頭部和尾部均含有大量的氣孔，尤其是在堆積層的頭部（見圖3d），可看到較大的氣孔。但是在中間部位（見圖3e），僅頂部含有一些少量的微型氣孔，在靠近尾部區域仍有一些尺寸較大的氣孔出現（見圖3f）。綜合分析，試樣③整體成形質量相對有所提高，收弧點熱量堆積較大，加上形成較多氣孔在熔池為液態時未來得及逸出，容易出現塌陷或材料堆積過高的現象，表面看似氣孔較少，實際內部存在尺寸較大且數量較多的不均勻氣孔。

表3 第三次采用等離子增材制造工藝制備坡莫合金

圖3 試樣③的宏觀表面成形質量和截面形貌

對比3組試樣分析可得，通過調節焊接電流、焊槍行進速度，可有效消除未熔合現象，減少大部分氣孔。此外，保護氣流量的增加同樣有助于減少表面氣孔的形成。影響氣孔生成的主要原因，不僅與增材制造工藝的各項參數有關，還與熔池表面張力，以及等離子弧和保護氣向下的機械力等因素有關。送絲速度與焊接電流直接影響焊絲的熔融速度，如果送絲速度過快，則會導致Fe絲和Ni絲不能按設定元素比例進行制造，會造成嚴重的偏析。干伸長和焊槍行進速度，與每一層堆積的厚度和高度及熱量堆積或散失程度相關，這與第二層是否會形成裂紋或氣孔也相關。目前看來，氣孔是采用等離子雙絲增材制造坡莫合金的最核心問題，消除氣孔是探究增材制造工藝的重要目標。

3.2 顯微組織

從試樣③中選取平行于基板方向（Building Direction，BD）的試樣進行顯微組織觀察，其結果如圖4所示。由圖4可看出，在平行于基板方向，存在較多的等軸晶及超大尺寸的晶粒（見圖4a）。對比采用激光選區熔化增材制造技術（SLM）制備的坡莫合金獲得的顯微組織，其晶粒尺寸相對較大[1]，且在平行于基板方向的晶粒尺寸極其不均勻，每個細小的晶粒內部都有多種類型的胞狀晶，如圖4b所示。在晶界處還可以看到形狀為圓形的物質，并且在胞狀晶的邊界處同樣發現類似的物質析出，如圖4c所示。液態熔池凝固過程中受到等離子電弧的電磁力和保護氣的吹力，外加Fe-Ni傳熱速度較快，可以使部分晶粒沿散熱方向的反方向快速長大，部分殘余熔融液態金屬受到體積和散熱的限制，致使形成尺寸較小的晶粒。從圖3b可看出，在不同的晶粒中存在不同形態的胞狀晶，在不同晶粒中的胞狀晶與晶體取向無關，但與散熱方向（定向凝固方向）相關，與其平行，說明該坡莫合金在增材制造過程中，由于較大的過冷度和成分過冷而發生了定向凝固。

為了探究增材制造過程中不同方向顯微組織形貌的區別，選取了垂直于基板方向的試樣進行了OM顯微組織觀察，其結果如圖5所示。從圖5a可看出，大部分晶粒呈柱狀晶形態，生長方向與散熱方向平行，很少發現等軸晶的出現，并且在柱狀晶內部可明顯觀察到不同形態的包狀晶（見圖5b、c），有的呈長條狀，有的呈菱形，與平行于基板平面形成蜂窩狀胞狀晶有所不同。從圖5a可看出明顯的晶界，長條狀胞狀晶垂直于晶界方向生長。對比圖5b、c與圖4b、c，在胞狀晶的晶界和晶內均有點狀或圓形物質析出，且分布較為均勻。

圖5 垂直于基板不同放大倍數條件下的OM顯微組織形貌

為確定這些物質，做EDS和SEM分析，其結果如圖6所示。SEM結果只能顯示出晶界，不能清晰地看到胞狀晶結構，可明顯看到不同沉積層的界線。從圖6的SEM結果可看出，不同沉積層的晶?？裳永m生長到新的沉積層，穿過熔池邊界。然而，EDS元素分析結果顯示，該部位并未存在Fe和Ni的偏析，分布較為均勻，不能準確地判定其構成。相關文獻顯示，在SLM制備的Ni-Fe-Mo坡莫合金的顯微組織中仍有一些點狀或圓形物質均勻地分布在晶粒內部和晶界處[14]。

圖6 垂直于基板的SEM顯微組織和不同元素分布情況

3.3 顯微硬度

從基板到沉積層頂部不同位置顯微硬度分布情況如圖7所示。由圖7可知，顯微硬度變化曲線隨距離的變化具有一定的波動性，并未呈現出逐漸上升或者逐漸下降的趨勢。通過計算得到其平均硬度為197.5HV，采用SLM制備的坡莫合金顯微硬度為170HV左右，相比之下，采用等離子雙絲制備的坡莫合金硬度值較高[15]。

圖7 垂直于基板方向從靠近基板到沉積層頂部的硬度分布情況

同時，由圖7可看出，硬度的波動范圍不是很大，在垂直于基板方向，顯微硬度的大小與晶粒尺寸的大小相關。結合圖5可看出，該方向的晶粒普遍呈較為粗大的柱狀晶，并且內部有較多的胞狀晶結構，可有效地提高其硬度。

4 結束語

采用等離子雙絲增材制造技術可以制備出晶粒較為粗大的坡莫合金，垂直于基板方向的顯微組織主要以柱狀晶為主，平行于基板方向的顯微組織主要由不均勻尺寸的等軸晶組成，兩者均存在不同形態的胞狀晶結構，前者含有規則菱形狀胞狀晶，后者含有蜂窩狀結構胞狀晶，且都存在長條狀結構的胞狀晶。元素分析結果表明，晶界與晶內的元素分布均勻，并且無偏析現象出現。從基板處到沉積層頂部顯微硬度在一定范圍內波動，且整體檢測結果高于SLM制備的試樣。