旁路耦合等离子弧钛合金增材制造组织与性能的研究

张林波，吴明亮，袁 文

(1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050) (2.兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，甘肃 兰州 730050)

增材制造技术作为一种新兴的制造技术，正在改变现有工业零部件的设计、生产、制造方式。利用材料逐层累加的方法来制造实体零件，增材制造技术可以实现多种材料、复杂结构零件的致密成形，综合力学性能优于铸造件，可以显著缩短制造周期，适用于新产品的开发和复杂零件的定制生产[1-2]。随着高能束技术、软件技术、材料科学和机械自动化等的发展，增材制造将在航空航天、生物医疗和模具制造等领域得到广泛应用[3]。增材制造过程中，零件的组织会影响其性能，然而组织在反复的热循环作用之下会产生明显的演变，因此组织的特点对零件能否达到理想性能是至关重要的，为此不少学者进行了相关研究[4]。Manvatkar等[5-6]进行了激光多层增材制造的研究，发现冷却速度决定了组织晶粒的大小，冷却速度越快，组织的晶粒越细小，然而随着堆积层数逐渐升高，冷却速度会逐渐减小。赵雪等[7]研究了不同的扫描策略对零件微观组织及显微硬度的影响规律。时海芳等[8]在Q235钢上以镍基合金粉末来制备预制块进行氩弧熔覆，发现不同的焊接电流、焊接速度和氩气流量都对焊缝的尺寸和组织有一定影响。Dinda等[9-10]研究了不同的沉积路径对等离子弧快速形成Inconel625合金的组织和性能的影响，结果表明不同的沉积路径对零件的组织和性能都存在一定的影响。

本文通过建立旁路耦合等离子弧焊(double electrode micro-plasma arc welding, DE-MPAW)焊接试验平台，对TC4钛合金进行增材制造研究，采用热电偶记录增材制造过程中母材上的温度变化情况，结合光学显微镜(optical microscope，OM)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)和维氏显微硬度仪等实验仪器分析堆垛样的组织和性能的关系，及旁路电流和堆垛顺序对钛合金增材制造堆垛样组织和性能的影响。

1 试验方法

1.1 试验原理及设备

DE-MPAW的试验装备系统如图1所示，图2所示为实物图。从电源正极流出的电流一部分通过母材流经等离子焊枪回到焊机的负极；另一部分流经可调电阻箱，由旁路焊丝分流，通过等离子焊枪回到焊机负极。由图可得出电流关系式：

图1 DE-MPAW原理图

图2 DE-MPAW实物图

Iz=Ip+Im

(1)

式中：Iz为焊接过程中的总电流；Im为流经母材的电流；Ip为流经焊丝的电流。

1.2 试验参数

试验采用的基板和焊丝为同种材料，皆为TC4。基板尺寸为150 mm×150 mm×3 mm，焊丝直径为1.2 mm，成分见表1。焊接过程中的工艺参数见表2。

表1 焊丝化学成分(质量分数)

表2 焊接工艺参数

利用建立的DE-MPAW试验系统，分别制备单向多层堆垛和往复多层堆垛钛合金薄壁试样，其外观形貌如图3所示。为保证表面平整度，焊接前需要对基板进行打磨，用丙酮清洗，除去表面的氧化物薄膜。

图3 堆垛试样

为了研究有无旁路电流和堆垛方式对DE-MPAW钛合金增材制造中组织及性能的影响，分别在有旁路电流和无旁路电流的情况下进行堆垛试验，旁路电流大小为16 A，其余参数见表2。焊接过程中，采用K型热电偶对堆垛过程中母材上的温度变化情况进行采集。在基板上选取B、C2个采集点(即图2中的采集点1和采集点2)，点B位于板内侧距堆垛层10 mm的位置，点C位于其斜下45°方向距堆垛层20 mm的位置。采用电阻点焊机将感应线点焊至B、C两点，即可进行母材温度的测定。图4为试验过程中测得的热循环曲线图。为了分析堆垛方式对钛合金组织和性能的影响，在其他参数不变(参数见表2)的情况下，分别进行单向多层堆垛和往复多层堆垛试验。

图4 不同堆垛条件的热循环曲线

堆垛试样用线切割方式沿纵截面切取合适尺寸的样本，经过研磨、抛光和腐蚀(腐蚀液选取体积比为V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶10)完成试样制备。采用扫描电子显微镜和光学显微镜观察堆垛样的组织，用维氏显微硬度仪进行硬度测试(载荷100 g，加载时间15 s)。

2 结果与分析

2.1 堆垛试样不同部位的组织特点

图5为有旁路电流TC4堆垛样光学显微组织及截面照片，总电流为40 A，旁路电流为16 A。为研究组织、形貌特性，分别对其底部、中部、顶部区域的组织进行观察。从底部到顶部，组织经历了典型的片层状α枝晶到树枝晶的转变。这主要是因为TC4材料的热传导较小，堆垛处的热量传递至母材远端需要一定的时间。由此可知，在堆垛过程中，堆垛基础温度较高，电弧产生的热量在堆垛层内部大量积累，使堆垛层组织逐渐生成树枝晶。

2.2 旁路电流对组织性能的影响

为研究旁路电流对TC4钛合金堆垛层组织性能的影响，进行无旁路电流和有旁路电流下的往复堆垛试验。图6所示为光学显微镜下观察到的堆垛样组织的照片(所选区域与图5中b区为同一位置)。可以看出，旁路电流可以使枝晶变粗，间距变小。根据所测得热循环曲线可知，在有旁路电流下的冷却时间较短(即下降100 ℃所需的时间少)。因为冷却速度越快，过冷度越大，会致使枝晶更粗、间距更小，由此可知，在有旁路电流的情况下，堆垛样组织的枝晶较粗、间距相对较小。

图5 TC4钛合金堆垛试样组织

图6 不同旁路电流下的堆垛样组织

为进一步研究TC4钛合金的性能特点，需进行显微硬度测试：从堆垛层的底部向堆垛层的顶部逐一测试，测试点的间隔为2 mm，不同参数下测试3组实验数据，分别取其平均值。图7所示为不同旁路电流下TC4钛合金堆垛试样显微硬度变化情况，从图中看出，在旁路电流为0 A的情况下，堆垛层的硬度保持在300～400 HV，随着旁路电流的引入，堆垛层的硬度维持在350～450 HV，而且随着堆垛层数的增加，堆垛层的硬度超过400 HV并维持较大的深度，说明旁路电流的引入对堆垛层有着明显的强化作用。

图7 不同旁路电流下的堆垛样硬度变化曲线

2.3 堆垛顺序对组织性能的影响

为研究堆垛顺序对组织性能的影响，对不同堆垛顺序的组织样进行了光学显微观察，单向堆垛样组织如图8所示(所选区域与图5中b区为同一位置)。往复堆垛样组织照片如图6所示。单向堆垛时，层间的晶枝生长方式是相同的，往复堆垛时，层间的晶枝生长方式发生了改变，这是由于层间的散热方向不同所导致的结果。

图8 单向堆垛顺序的组织

图9为往复堆垛方式和单向堆垛下的显微硬度变化曲线。从图中可以看出，无旁路电流单向堆垛层的硬度维持在300～400 HV，这与TC4钛合金母材的硬度大致符合。但比无旁路电流往复堆垛层的硬度要低，说明在堆垛过程中，电弧产生的热量在堆垛层内部不断地积累，使得堆垛层的温度持续上升，随着堆垛层数的增加，以热传导为主的降温散热从母材上的三维传导模式转变为在堆垛层上的二维传导模式从而使得降温的速率下降，导致堆垛层上积累大量的热，在散热过程中TC4钛合金的性能发生变化。由此表明堆垛方式能够影响显微硬度。

图9 堆垛样硬度的变化

3 结论

本文通过不同参数下DE-MPAW钛合金增材制造的对比试验，对堆垛组织进行相关分析得出以下结论：

1)在增材制造过程中堆垛样的组织经历了由典型的片层状α枝晶到树枝晶的转变，硬度逐渐升高。加入旁路电流后，使得堆垛样组织枝晶变粗、间距相对减小，其硬度比无旁路电流时高。

2)不同的堆垛顺序对堆垛样的组织和硬度都有一定的影响。单向堆垛时，堆垛层组织晶枝保持同一方向生长；往复堆垛时，堆垛层组织晶枝生长方向发生变化。往复堆垛会使TC4钛合金堆垛样硬度在一定程度上增大。

3)旁路电流的引入能够对堆垛层产生较大深度的强化效果，在钛合金增材制造中具有明显的优势。