不同工藝參數對高硬度鐵粉等離子弧增材熔覆的影響

劉艷，張林杰，張建勛

（西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049）

在資源節約及高效制造的導向下，增材制造技術已成為航空航天等高端設備制造及熔覆領域的重要技術手段[1—6]。電弧增材制造技術具有設備簡單、材料利用率高及生產效率高等優點[7—8]。等離子弧增材制造是以等離子弧為熱源的一種制造方法，具有更集中的電弧及熱流，成形件致密度高、冶金結合性能好、化學成分均勻、力學性能好[9—10]。

航空工業小型化、輕量化和多功能化的發展目標對航空工業用鋼承載能力提出了更高的要求。隨著鋼鐵材料的研發及制造技術的提高，具有超高比強度的高強鋼結構材料得到了廣泛應用。超高強度鋼具有超乎一般的高強度、比強度和屈強比，已大量應用于飛機起落架、連接件、襟翼滑軌、機翼主梁等關鍵部件，在航空工業領域具有廣闊的發展前景[11—13]。300M 超高強度鋼作為飛機起落架制造用材，具有高強度、高硬度、低導熱率等特性，屬于典型的航空難加工材料[14—16]。

文中采用等離子弧增材的方法在300M 鋼表面熔覆馬氏體型高硬度粉末，首先對單道成形工藝進行探索，研究熔覆工藝對焊道宏觀形貌、成形尺寸、稀釋率的影響，然后對多道單層工藝進行探索，研究疊加率對熔覆件表面形貌的影響，最終確定馬氏體型高硬度粉末等離子弧熔覆低合金高強度鋼的熔覆工藝。

1 試驗方法

試驗用的高硬度粉末成分如表1 所示，熔覆基材為淬火加二次中溫回火態的300M，名義成分如表2 所示。

表1 高硬度不銹鋼粉末成分Tab.1 Compositions of high hardness powder

表2 300M 基材名義成分Tab.2 Nominal compositions of 300M substrate

試驗用的熔覆基板大小為 70 mm×45 mm×20 mm，采用 DML-V03BD 型號的等離子焊機和YASKAWA 六軸機器人進行熔覆，等離子氣、送粉氣和保護氣均采用高純氬氣，維弧電流為20 A，基值電流為40 A，熔覆采用直流電流，電流爬升時間為0.1 s，電流下降時間為0.5 s，等離子氣、送粉氣和保護氣流速分別為1.5,3.5,12 L/min。等離子電弧熔覆前用角磨機對基板進行除氧化皮拋光處理，然后用丙酮清洗，熔覆的過程保證焊槍噴嘴與基板相距10 mm。單道多層的熔覆層高度為15 mm。

熔覆件的金相試樣經過樹脂鑲嵌和砂紙打磨、拋光后，選用10 g 無水硫酸銅+50 mL 濃鹽酸+50 mL蒸餾水的腐蝕劑溶液進行腐蝕。微觀組織使用Nikon ECLIPSE MA200 型號的倒置金相顯微鏡和配有牛津能譜的SU3500 鎢燈絲掃描電子顯微鏡進行檢測分析。熔覆件拉伸性能使用INSTRON 1195 電子拉伸試驗機進行檢測，拉伸速率為0.5 mm/min。拉伸試樣的尺寸如圖1，取樣方向為熔覆的沉積方向，試樣平行段長度為11 mm。

圖1 拉伸試樣及尺寸規格Fig.1 Tensile test specimens and dimensions

2 試驗結果

2.1 單道單層熔覆工藝優化

2.1.1 熔覆工藝對焊道成形尺寸影響

對影響等離子弧熔覆的主要工藝參數熔覆電流（I）、熱源移動速度（v）和送粉速率（G）進行三因素三水平的正交試驗設計（見表3），結合圖5 研究這3 個工藝參數對焊道稀釋率、寬高比及成形質量的影響規律。結果顯示，3#試驗樣品的稀釋率最小，寬高比最小，為此等離子弧熔覆工藝窗口內的最優工藝參數組合。I,v,G對稀釋率及寬高比的影響規律如圖2 所示，可以看到I的大小對稀釋率的影響程度最大，其次G；G對焊道寬高比影響程度最大，其次是v，電流影響程度最小。

表3 單道單層沉積正交試驗設計Tab.3 Orthogonal test design for single pass single layer depositions

圖2 熔覆工藝對焊道尺寸形貌特征的影響Fig.2 Effect of cladding process on weld bead size characteristics

熔覆件稀釋率FD計算方法如下：

式中：AP為基材熔化面積；AC為熔敷層面積；TP為熔深；Tc為熔高。焊道橫截面尺寸參數標注如圖3 所示。

圖3 焊道橫截面尺寸參數Fig.3 Cross sectional dimension parameter of weld pass

2.1.2 等離子弧工藝對焊道形貌影響

圖4 是9 組熔覆工藝下的宏觀形貌照片，其中8#和9#工藝的焊接電流較大，送粉速率較小，掃描速度較大，焊道較細且連續性不好，3#,5#,7#表面光滑平整無波紋，1#表面有部分粘粉，7#電流相對過大，焊道表面有氧化跡象。

1#—9#熔覆工藝下的組織形貌見圖5，結果顯示在熔覆速度為20～30 cm/min、送粉速率為20～30 r/min的工藝窗口內，隨著熔覆電流的增大，熔深有所增大，7#—9#金相試樣經過摔落后在臨近熱影響區的基材處產生了宏觀長裂紋，可能是線能量密度過大所導致，其他焊道沒有出現此現象。其中3#焊道試樣的熱影響區深度及面積最小，稀釋率（9.4%）及寬高比（2.9）最小，無生粉現象，熱影響區粗晶區的晶粒尺寸相對較小。

2.2 多道單層熔覆工藝優化

為保證熔覆件最終形狀尺寸精度及熔覆件質量，進行每一層多道熔覆時調整焊道間的搭接率是十分有必要的，可以保證熔覆層的平整度。搭接率的計算方法如下：

式中：ξ為搭接率；X為焊槍偏移量；W為焊道熔寬。如圖6 所示是等離子弧多道單層熔覆件的宏觀形貌，疊加率分別為30%,40%,50%，可以看到疊加率為40%的熔覆件表面較為平整。

2.3 單道多層拉伸力學性能結果分析

在300 M 基板上采用表3 的1#—7#的熔覆工藝進行等離子弧單道多層熔覆，沿BD 方向截取制備拉伸試樣，拉伸試驗結果如圖7 所示，結果顯示，3#熔覆工藝制得的單道多層抗拉強度最高，達到1204 MPa，斷裂位置發生在熱影響區（HAZ）。這與前期探索的單道單層的工藝結果相一致。

圖4 單道單層焊道宏觀形貌Fig.4 Macro-morphology of weld bead

圖5 單道單層焊道微區尺寸形貌Fig.5 Micro-zone size morphology of weld bead

圖6 多道單層熔覆件宏觀形貌Fig.6 Macroscopic morphology of multi-pass single layer cladding

圖7 單道多層熔覆件拉伸試驗結果Fig.7 Tensile test results of single-pass multilayer cladding

3 結語

在300M 基材表面進行高硬度鐵粉等離子弧熔覆工藝探索。結果表明，在熔覆電流為140～180 A、移動速度為20～30 cm/min 和送粉速率為20～30 r/min的工藝窗口內，當電流大小為140 A，送粉速率為30 r/min，掃描速率為30 cm/min 時，單道單層焊道的稀釋率及寬高比最小，熱影響區晶粒尺寸較小，無粘粉現象。多道多層熔覆時，為保證熔覆件最終形狀尺寸精度及熔覆件質量，對疊加率工藝進行了分析，發現當疊加率為40%時，熔覆層表面平整度較高。此外，在工藝窗口內，對不同參數單道多層BD方向上的拉伸性能進行了對比分析，結果表明，電流大小為140 A，送粉速率為30 r/min，掃描速率為30 cm/min 工藝下的熔覆件抗拉強度最大，斷裂發生在熱影響區。