金屬粉芯焊絲電弧增材制造的顯微組織與力學性能(2)
時間：2024-01-16 09:27 來源：增材制造碩博聯盟 作者：admin 閱讀：次
3. 結果及討論
3.1宏觀檢測
由90層組成的單層珠壁如圖4所示。最終測量所得尺寸約長190mm，高160mm，寬7mm。如圖5所示，測得壁面頂部峰谷變化(表面最高點和最低點之間的距離)約為600 um。熔池不穩定引起熔珠形狀變化，進而可能引起峰谷變化。根據相關研究，較高熱輸入有助于降低表面波浪度。因此，隨著壁的建立，散熱條件變化會引起熔池熱輸入波動，導致熔池不穩定，比如振蕩。此外，由于在每一層沉積之后都進行了充分冷卻，熱量積累得到了控制，因此基底和墻體都沒有發生明顯變形。
圖5 壁面頂部區域局部截面圖 (沉積參數見表2)
3.2WAAM沉積中的微觀結構變化本實驗研究了WAAM沉積壁內不同位置的微觀結構(如圖4所示)。這些位置的代表性腐蝕截面如圖6所示。斷面顯示為鐵素體(白色)相、珠光體(黑色島狀)相和貝氏體(黑色束狀)相。在壁頂部(A區)發現了柱狀晶粒。由于在最大熱梯度中晶粒會優先生長，因此這些柱狀晶粒垂直于熔合線。原奧氏體晶粒被周圍布有晶界鐵素體。每層沉積后，在沉積路徑中用熱電偶測量溫度，范圍從800℃到1100℃，用熱電偶測量所得冷卻速率約為85.7°C/(800℃-1000℃) 28.5°C/s (500℃-800℃)。
利用光學顯微鏡觀察B區和C區處微觀結構，結果分別如圖6b、6C所示。從兩張顯微圖中可以看出，微觀結構包括鐵素體(白色)和珠光體(黑色)兩部分。總的來說，從壁頂到壁底，微觀結構變得更加精細。關注公眾號: 增材制造碩博聯盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造科研與工程應用！
為了更加清晰地闡述該微觀結構，實驗通過SEM在C區拍攝了分辨率更高的顯微圖，如圖7所示。結果在該區域發現了一些碳化物沉淀和氧化物顆粒(圖7a中的黑點)。珠光體片層如圖7b所示，碳化物析出物分散在鐵素體中，如圖7c所示。如圖7b所示，珠光體片層似乎變厚并含有邊緣部分。這些情況表明在再加熱過程中珠光體轉變為高碳奧氏體，在冷卻過程中又轉變為馬氏體。究其原因，可能是因為富碳奧氏體具有較高的局部淬透性。此外，實驗還發現D區域晶粒最細，如圖6d所示。晶粒尺寸的減小是由材料多次熱循環引起的。多次熱循環后，鐵素體和珠光體細化。這一點可以用從A區和d區實測到的原奧氏體晶粒最大寬度和長度加以佐證：晶粒的最大寬度/長度從A區37.5 um/71.5 um下降到d區5 um/15 um，從中也可以看出鐵素體的形核優先在原柱狀奧氏體晶界處發生。
圖6 XC-45單珠壁不同位置的微觀結構 (a) 區域A (靠近壁面)，(b)區域B (頂部區域中部)，(c)區域C (中部區域)，(d)區域D (底部區域)
圖7 C區高分辨率顯微圖，(a)低放大倍率，(b)珠光體高放大倍率，(c)析出相高放大倍率
3.3WAAM沉積壁硬度
沉積壁垂直方向的硬度變化如圖8a所示。通常，沉積材料會經歷多次熱循環，進而影響硬度。在這種情況下，測量底部，中間及頂部區域平均硬度，所得數據分別為238 + 8 HV，243 + 5 HV和250 + 4 HV。如圖6a所示，由于存在貝氏體和Widmanstätten鐵素體等非平衡相，頂部硬度略高于底部。測量硬度數據如圖8a所示，中間區域的硬度變化最小，而頂部和底部區域的硬度變化較大，這表明中間區域的力學性能更加穩定。
圖8 (a) XC-45管壁從下到上的硬度，(b)不同工藝所得硬度比較
影響硬度值的微觀組織因素有很多。在本實驗中，影響硬度的因素包括局部相成分、晶粒尺寸以及析出相的比例和尺寸。由于暴露在高溫中，所顯相會發生硬度變化。這是因為高溫暴露會引起回火、恢復和再結晶，使硬度降低，同時碳化物的析出和馬氏體轉變又會使硬度提高。需要指出的是，這些影響會因建造方向而異，因為它們在很大程度上取決于冷卻速度和每一層暴露在后續熱循環中的次數。因此，我們劃分了三個不同的區域，具體如下：
(a) 將墻的底部設為D區。該區域的冷卻速度受基座影響。由于后續層數逐漸增加，這些較低的區域再加熱循環次數最多。此外，由于在底部發生了稀釋現象，第一層組成略有不同。所有這些因素都有可能使得在拉伸試驗中硬度值降低及延伸率提高。
(b) 將墻的中間部分設為C區和B區。在這些區域內，除對流和輻射外，所有層冷卻都類似，即由已沉積層傳導控制。因此，該區域的冷卻速度低于D區域且硬度相對均勻。由于中間區域也經歷了再加熱，因此回火效應也有助于提高力學性能。中間區域回火效果較明顯，這是因為在冷卻過程中其不受底板影響。
(c) 將墻的頂部設為A區，這是墻的最后沉積部分。此區域冷卻速度與前一區域(b)相同，但導致顯著回火效果的再加熱循環次數減少了。因此，該區域的硬度值可能會較高。
將WAAM沉積壁的硬度與不同制造工藝的XC-45的硬度進行比較，如圖8b所示。結果表明，WAAM法制備所得的XC-45金屬芯焊絲硬度與其它工藝相當。關注公眾號: 增材制造碩博聯盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造科研與工程應用！
3.4WAAM沉積壁抗拉強度評估
圖9總結了不同方向制備所得試樣的實測曲度、抗拉強度及延伸率。結果表明，WAAM沉積壁內的力學行為存在各向異性。試驗結果表明，從上往下，曲度和最終強度均呈下降趨勢，這與圖8a所示的硬度變化一致。
圖9 測試所得曲度，抗拉強度及延伸率
從中還可以看出，延伸率在在水平方向和垂直方向存在著明顯差異。柱狀原奧氏體晶界處形核的鐵素體晶粒對水平方向(沉積方向)和垂直方向(構建方向)的強度和延伸率有不同的影響。其他研究者也曾描述過增材制造材料性能的各向異性。
實驗將通過WAAM工藝下XC-45金屬芯絲沉積所得平均值與傳統金屬加工(基于AISI 1045鋼)方法所得結果進行了比較，如圖10所示。通過WAAM制備的曲度強度和極限強度均高于大多數常規制備方法，但延伸率較低，這與圖8所示硬度結果相吻合，同時也表明淬火條件下的平均硬度高于其他工藝。為了提高XC-45 WAAM沉積材料的延性，我們考慮了額外沉積后熱處理以此獲得所需延性。關于WAAM法下最佳XC-45熱處理，本研究沒有涉及。
圖10 不同工藝所得抗拉強度和延伸率比較
3.5斷口金相研究
從拉伸試驗結果來看，圖3所示的3、6、8和11分別為頂部、中部、底部和垂直位置的試樣。因此，通過SEM對3、6、8、11拉伸試樣的斷口金相進行觀察，結果如圖11所示。所有檢測的拉伸試樣均表現為無孔易延展性斷裂，如圖11a所示，所有斷口表面均以凹陷為主。此外，在凹陷處也觀察到了夾雜物。這些部位更有可能形成裂紋。對比圖11b-e，發現水平樣品(編號3,6,8)的凹陷尺寸與垂直樣品(編號11)相似。由于微孔聚結效應，局部出現了較大的凹陷。粒子(A)存在于凹陷除內部。金屬相或氧化物的存在促進了凹陷的形成。較小凹陷可能與晶界處生成的空洞或其它微觀結構特征有關。較大的凹陷傾向于在氧化顆粒處成核。實驗對粒子A(圖11f)進行了能量色散x射線能譜(EDX)分析，結果如圖11g所示。可見顆粒A中以O、Fe、Mn、Cr、Si、S為主要元素，可識別出非金屬夾雜物，如MnS或oxide。
圖11 拉伸試樣的金相結構：(a)低倍率，(b)底部，(c)中部，(d)頂部，(e)垂直，(f)能量色散x射線(EDX)粒子，(g)粒子A (at.%)的能量色散光譜(EDS)圖。
4. 結論
本研究探究了使用XC-45金屬芯絲沉積的WAAM材料的微觀組織及力學性能。盡管材料組成具有挑戰性，但由于高碳含量，沉積壁結構完整度及沉積時的力學性能都較好，因而對工業應用具有一定的吸引力。通過研究可以得出以下結論：
(a) 本研究對由WAAM生產的XC-45零件與傳統工藝生產的AISI 1045零件的力學性能進行了比較。結果表明，經WAAM處理后的零件硬度和抗拉強度均大于或與淬火條件下的值相當。
(b) 壁厚從底部到頂部的硬度變化在223 ~ 268 HV之間。
(c) 研究所得抗拉強度差在建造方向和水平方向表現出各向異性，約為200 MPa。WAAM制備的XC-45壁的平均垂直延伸率為11%，高于水平方向所得的6.4%。
(d) WAAM制備的XC-45壁的斷口具有易延展性。斷口表面存在一些夾雜物，如MnS或氧化物等。
(e) 組織壁中存在珠光體、鐵素體、貝氏體和馬氏體。在熔合線附近發現柱狀晶粒。此外，反復的熱循環使晶粒從上到下逐層細化。
(責任編輯：admin)
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