不同工藝參數(shù)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(xué) 金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049）

在資源節(jié)約及高效制造的導(dǎo)向下，增材制造技術(shù)已成為航空航天等高端設(shè)備制造及熔覆領(lǐng)域的重要技術(shù)手段[1—6]。電弧增材制造技術(shù)具有設(shè)備簡單、材料利用率高及生產(chǎn)效率高等優(yōu)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(jié)合性能好、化學(xué)成分均勻、力學(xué)性能好[9—10]。

航空工業(yè)小型化、輕量化和多功能化的發(fā)展目標(biāo)對航空工業(yè)用鋼承載能力提出了更高的要求。隨著鋼鐵材料的研發(fā)及制造技術(shù)的提高，具有超高比強度的高強鋼結(jié)構(gòu)材料得到了廣泛應(yīng)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(yīng)用于飛機起落架、連接件、襟翼滑軌、機翼主梁等關(guān)鍵部件，在航空工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(tài)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(jìn)行熔覆，等離子氣、送粉氣和保護(hù)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(hù)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(jìn)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(jīng)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(jìn)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(jìn)行檢測分析。熔覆件拉伸性能使用INSTRON 1195 電子拉伸試驗機進(jìn)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(guī)格Fig.1 Tensile test specimens and dimensions

2 試驗結(jié)果

2.1 單道單層熔覆工藝優(yōu)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(shù)熔覆電流（I）、熱源移動速度（v）和送粉速率（G）進(jìn)行三因素三水平的正交試驗設(shè)計（見表3），結(jié)合圖5 研究這3 個工藝參數(shù)對焊道稀釋率、寬高比及成形質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)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(nèi)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。I,v,G對稀釋率及寬高比的影響規(guī)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(shè)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(shù)標(biāo)注如圖3 所示。

圖3 焊道橫截面尺寸參數(shù)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(xì)且連續(xù)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(jié)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(nèi)，隨著熔覆電流的增大，熔深有所增大，7#—9#金相試樣經(jīng)過摔落后在臨近熱影響區(qū)的基材處產(chǎn)生了宏觀長裂紋，可能是線能量密度過大所導(dǎo)致，其他焊道沒有出現(xiàn)此現(xiàn)象。其中3#焊道試樣的熱影響區(qū)深度及面積最小，稀釋率（9.4%）及寬高比（2.9）最小，無生粉現(xiàn)象，熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒尺寸相對較小。

2.2 多道單層熔覆工藝優(yōu)化

為保證熔覆件最終形狀尺寸精度及熔覆件質(zhì)量，進(jìn)行每一層多道熔覆時調(diào)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(xué)性能結(jié)果分析

在300 M 基板上采用表3 的1#—7#的熔覆工藝進(jìn)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(jié)果如圖7 所示，結(jié)果顯示，3#熔覆工藝制得的單道多層抗拉強度最高，達(dá)到1204 MPa，斷裂位置發(fā)生在熱影響區(qū)（HAZ）。這與前期探索的單道單層的工藝結(jié)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(qū)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(jié)果Fig.7 Tensile test results of single-pass multilayer cladding

3 結(jié)語

在300M 基材表面進(jìn)行高硬度鐵粉等離子弧熔覆工藝探索。結(jié)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(nèi)，當(dāng)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(qū)晶粒尺寸較小，無粘粉現(xiàn)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(zhì)量，對疊加率工藝進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)疊加率為40%時，熔覆層表面平整度較高。此外，在工藝窗口內(nèi)，對不同參數(shù)單道多層BD方向上的拉伸性能進(jìn)行了對比分析，結(jié)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(fā)生在熱影響區(qū)。