固溶時(shí)效處理對(duì)4043鋁合金沉積層組織與性能的影響

解瑞軍，王祺星，陳芙蓉

材料與成形性能

固溶時(shí)效處理對(duì)4043鋁合金沉積層組織與性能的影響

解瑞軍，王祺星，陳芙蓉

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，呼和浩特 010000）

研究CMT增材制造的4043鋁合金在固溶時(shí)效處理后的組織與性能變化規(guī)律。利用基于冷金屬過(guò)渡技術(shù)的金屬絲材增材制造方法制造出4043鋁合金試件，采用金相組織觀察、硬度測(cè)試、室溫拉伸性能測(cè)試、能譜分析等手段，觀察并測(cè)試固溶時(shí)效處理后4043鋁合金沉積層的組織與性能。增材制造的沉積層與母材間的成分分布不均勻，Al多以樹(shù)枝狀晶形式存在，共晶Si以片狀形式存在，固溶時(shí)效處理能夠使沉積層內(nèi)共晶Si聚集，元素?cái)U(kuò)散均勻。在540 ℃下固溶處理2 h、180 ℃下時(shí)效處理8 h后，性能提升最為明顯。使用增材制造方式制造零件后，可采用固溶時(shí)效處理的方式改善組織、提高性能，從而擴(kuò)大使用范圍。

4043鋁合金；絲材增材制造；固溶時(shí)效處理；組織；力學(xué)性能

增材制造技術(shù)（additive manufacturing，AM）又稱3D打印技術(shù)，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外興起的一種制造技術(shù)，具有材料利用率高、可制造復(fù)雜幾何構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)。基于以上優(yōu)點(diǎn)，使用常規(guī)電弧焊接設(shè)備、輔以可控制位移設(shè)備進(jìn)行逐層沉積的金屬絲材增材制造（WAAM）技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，相比于激光與電子束增材制造技術(shù)，該技術(shù)具有設(shè)備價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便、原料易制備且無(wú)需要求苛刻的真空試驗(yàn)環(huán)境等優(yōu)勢(shì)[1-2]。當(dāng)前WAAM技術(shù)主要應(yīng)用于鋁合金、鈦合金、碳鋼中，多使用鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）或熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）作為熱源，通過(guò)WAAM制造出的零件質(zhì)量受工藝參數(shù)、熔覆材料和其他環(huán)境因素的影響[3]。冷金屬過(guò)渡（CMT）技術(shù)是在傳統(tǒng)熔化極氣體保護(hù)焊（MIG）的基礎(chǔ)上改良開(kāi)發(fā)出來(lái)的技術(shù)，其基本原理是焊絲向熔池運(yùn)動(dòng)，當(dāng)觸及熔池后電弧熄滅，焊絲快速回抽促進(jìn)熔滴進(jìn)入熔池，焊絲的回抽運(yùn)動(dòng)頻率可高達(dá)90次/s，這極大減小了焊接過(guò)程中的熱輸入。將CMT技術(shù)應(yīng)用于鋁合金增材制造中，能夠?qū)崿F(xiàn)飛濺小甚至無(wú)飛濺的增材過(guò)程。

Al–Si合金因具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的成形能力被廣泛應(yīng)用于鋁合金絲材增材制造中。Wang等[4]使用可變極性氣體保護(hù)鎢極電弧焊（VP–GTAW）增材制造了4043鋁合金，觀察分析了焊接參數(shù)對(duì)沉積試件的顯微組織、側(cè)壁粗糙度與硬度的影響，并研究了析出物的主要分布區(qū)域。Heard等[5]使用短路過(guò)程可控的惰性氣體保護(hù)焊增材制造了4047鋁合金，發(fā)現(xiàn)共晶Si被細(xì)化成了纖維態(tài)，相比鑄態(tài)4047鋁合金，其延展性得到了大幅提高。Wang等[6]使用CMT技術(shù)增材制造了4043鋁合金，觀察到試件中部區(qū)域的枝晶相較頂部與底部的枝晶相更加粗大，表現(xiàn)出了與傳統(tǒng)鑄造和焊接鋁合金相似的力學(xué)性能，但層間結(jié)合處粗大的晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其力學(xué)性能有一定程度的下降，且晶粒硬度較低，共晶Si多為粗大片狀，這使其在實(shí)際應(yīng)用中受到了諸多限制。研究表明，焊后熱處理能使鋁合金的顯微組織與力學(xué)性能得到明顯改善，從而延長(zhǎng)其使用壽命并擴(kuò)大其使用范圍[7-8]，這一過(guò)程主要通過(guò)改變共晶Si和初生Si的形態(tài)、尺寸及合金元素的析出方式等，熱處理后Si相的形態(tài)球化可以提高鋁合金的強(qiáng)度及耐磨性，但Si相的尺寸變大又會(huì)導(dǎo)致鋁合金的耐磨損性能降低[9]。

文中主要研究了ER4043鋁合金增材制造后沉積層中元素的擴(kuò)散情況，以及增材試件進(jìn)行固溶時(shí)效處理后沉積層的顯微組織與力學(xué)性能的變化情況。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料選用直徑為1.2 mm的鋁硅ER4043焊絲，它是一種用途廣泛的通用焊接材料，適用于鋁合金的焊接和電弧增材制造，母材選用厚度為4 mm的6061鋁合金基板，焊絲和基板的化學(xué)成分如表1所示。

表1 焊絲與基板化學(xué)成分

Tab.1 Chemical compositions of wire and matrix materials wt.%

試驗(yàn)系統(tǒng)包含奧地利Fronius公司研發(fā)的CMT焊機(jī)、TPS2700 CMT弧焊電源、自行開(kāi)發(fā)的三維滑臺(tái)、PLC控制臺(tái)等設(shè)備，保護(hù)氣使用氬氣，采用往復(fù)式沉積的方式進(jìn)行增材，沉積層數(shù)為10，沉積過(guò)程如圖1所示。焊接電流為150 A，焊接電壓為16.7 V，焊接速度為8 mm/s，保護(hù)氣流量為15 L/min，在此參數(shù)下進(jìn)行增材制造的零件表面成形質(zhì)量高，表面光滑平整，氣孔較少。

對(duì)增材沉積層進(jìn)行熱重分析（見(jiàn)圖2），對(duì)照Al–Si二元合金相圖，在無(wú)燒損的前提下選擇固溶溫度為540 ℃。使用馬弗爐對(duì)試件進(jìn)行固溶處理，使用干燥箱進(jìn)行時(shí)效處理，固溶處理溫度為540 ℃，固溶時(shí)間為2 h，時(shí)效溫度為180 ℃，時(shí)效時(shí)間分別為4、6、8、10、12 h。對(duì)斷面進(jìn)行EDS能譜分析，觀察焊后各元素的分布情況。使用電火花線切割機(jī)沿垂直試樣增材方向進(jìn)行切割，切取試樣中包含合金沉積層以及相連的基板，制備金相試樣并使用金相顯微鏡觀察分析其組織形貌變化。使用顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量試樣各個(gè)區(qū)域的顯微硬度。按照GB/T 228.1—2010沿平行焊接方向切割板狀拉伸試樣，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試。

圖1 CMT增材制造沉積過(guò)程

圖2 沉積層熱重分析

2 結(jié)果與分析

2.1 元素分布與顯微組織

經(jīng)過(guò)增材制造的沉積修補(bǔ)后，沉積物與基板都經(jīng)歷了一系列復(fù)雜的熱循環(huán)，連續(xù)循環(huán)的加熱與冷卻過(guò)程相當(dāng)于對(duì)已沉積區(qū)域和相連的基板進(jìn)行多次熱處理[10-12]，母材與第1層沉積層間縱向和橫向的元素能譜分別見(jiàn)圖3和圖4。結(jié)合圖3與圖4可知，在修補(bǔ)后的零件中，Si元素在沉積層垂直方向上與母材有明顯分界，基板中的Mg元素也有少量過(guò)渡到沉積層中且分布較為均勻。水平方向上Si元素以焊道為中心，呈中心高、兩側(cè)低的對(duì)稱分布趨勢(shì)。

沉積層固溶時(shí)效處理后的顯微組織如圖5所示。由圖5a可知，原始狀態(tài)下的沉積層組織為Al樹(shù)枝狀晶與片狀共晶Si組織共存，并且Si分布較為均勻。固溶處理后，隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，Al晶粒逐漸長(zhǎng)大，共晶Si慢慢聚集呈不規(guī)則分布，適量的共晶Si聚集有利于性能的提高，因此固溶時(shí)效處理造成的共晶Si聚集是改變沉積層性能的關(guān)鍵[13-15]。

2.2 顯微硬度分布

修復(fù)后的零件硬度明顯下降，圖6為固溶時(shí)效處理后試件各個(gè)區(qū)域的顯微硬度結(jié)果。可以看到，以沉積試件為中心，兩側(cè)各位置的平均硬度呈對(duì)稱分布，總體硬度從邊緣向沉積試件中心位置呈先降低后上升的變化狀態(tài)，這主要是由化學(xué)成分的不均勻分布、增材制造過(guò)程中的熱影響作用以及共晶Si的聚集程度升高導(dǎo)致的[16]。固溶處理后原始態(tài)試件的平均硬度最低，180 ℃時(shí)效處理后硬度得到提升，時(shí)效處理8 h后硬度提升最大，遠(yuǎn)離熔合區(qū)的基板也能恢復(fù)至修補(bǔ)前的平均硬度水平，若繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間則硬度反而下降[17-19]。

圖3 母材與第1層沉積層間縱向元素能譜

圖4 母材與第1層沉積層間橫向元素能譜

圖5 沉積層固溶時(shí)效處理后顯微組織

2.3 室溫拉伸性能

室溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果也顯示出相同的變化趨勢(shì)，圖7為沉積層固溶時(shí)效處理后的抗拉強(qiáng)度與斷后伸長(zhǎng)率。可以看出，當(dāng)時(shí)效時(shí)間為8 h時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，最大抗拉強(qiáng)度為221.77 MPa，時(shí)效時(shí)間不足與過(guò)長(zhǎng)均達(dá)不到最優(yōu)性能。當(dāng)時(shí)效時(shí)間在8 h以內(nèi)時(shí)，共晶Si的少量聚集會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高沉積層的拉伸性能。繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)效時(shí)間，共晶Si過(guò)度富集，會(huì)形成斷裂的起點(diǎn)，造成沉積層抗拉強(qiáng)度降低[20-21]。

圖6 固溶時(shí)效處理后試樣各區(qū)域硬度

圖7 沉積層固溶時(shí)效處理后的抗拉強(qiáng)度與斷后伸長(zhǎng)率

3 結(jié)論

1）對(duì)ER4043鋁合金焊絲增材制造修復(fù)的6061鋁合金零件進(jìn)行固溶時(shí)效處理，在保持固溶處理溫度與時(shí)間不變的條件下，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，沉積層內(nèi)Al晶粒長(zhǎng)大，共晶Si逐漸聚集，適量的聚集能夠提升零件的力學(xué)性能，過(guò)度聚集則會(huì)造成力學(xué)性能下降。

2）固溶時(shí)效處理后試件整體硬度得到提高，沉積層中心位置硬度可達(dá)到接近基板的硬度，共晶Si的適量聚集可阻礙位錯(cuò)移動(dòng)、提高拉伸性能，但過(guò)度聚集會(huì)形成斷裂的起點(diǎn)、反使拉伸性能降低，因此經(jīng)540 ℃固溶處理2 h、180 ℃時(shí)效處理8 h后的試樣獲得了最優(yōu)的力學(xué)性能。

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Effects of Solid Solution Aging Treatment on Microstructure and Properties of Deposited Layers of 4043 Aluminum Alloy

XIE Rui-jun, WANG Qi-xing, CHEN Fu-rong

(School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Huhhot 010000, China)

The work aims to study the change rules of microstructure and properties of 4043 aluminum alloy by CMT additive manufacturing after solid solution aging treatment. 4043 aluminum alloy specimen was manufactured by wire arc additive manufacturing (WAAM) with the cold metal transfer technique. The microstructure and properties of 4043 aluminum alloy after solid solution aging treatment were observed and tested through metallographic observation, hardness test, room temperature tensile property test and energy spectrum analysis. The composition distribution between the deposited layer and the additively manufactured base metal was not uniform, with Al mostly in the form of dendritic crystals and eutectic Si in the form of flakes. The solid solution aging treatment can make eutectic Si aggregate in the deposited layer and the elements diffuse evenly. The most obvious improvement in properties can be seen after solid solution aging treatment at 540 ℃ for 2 h and aging treatment at 180 ℃ for 8 h. The solid solution aging treatment can be used to improve the microstructure and properties after the production of the additively manufactured parts, thus expanding the range of use.

4043 aluminum alloy; wire arc additive manufacturing (WAAM); solution-aging treatment; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.019

TG146.21；TG661

A

1674-6457(2022)08-0134-06

2022–01–04

2019內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金（RZ1900004193）

解瑞軍（1969—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧系暮附蛹捌湓霾闹圃臁?/p>

陳芙蓉（1972—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)椴牧虾附有约捌浔砻娓男浴?/p>

責(zé)任編輯：蔣紅晨