轴类零件电弧熔丝轧制复合增材修复工艺研究

徐宏图，田天泰，华昺力，詹文斌，韩宾，张琦

增材复合制造技术

轴类零件电弧熔丝轧制复合增材修复工艺研究

徐宏图，田天泰，华昺力，詹文斌，韩宾，张琦*

（西安交通大学 机械工程学院，西安 710049）

针对电弧熔丝增材修复轴类零件时修复层出现柱状晶粒、修复质量不佳等问题，进行电弧熔丝和轧制复合的增材修复工艺研究。研究了电弧熔丝和轧制复合的轴类零件修复工艺，即在焊枪后紧邻一个轧辊，对沉积层进行轧制，使材料在高温下发生塑性变形。开发、制造和测试了一种新型设备，并在316L不锈钢轴上进行了修复实验。研究了轧制对修复件拉伸性能、硬度和微观结构的影响，并对沉积层和结合界面进行了电子背散射衍射（EBSD）表征。轧制导致了动态再结晶（DRX）形核从而细化了微观组织。与基体金属相比，修复层的硬度提高了20%～30%，屈服强度从220 MPa提高到432 MPa，极限抗拉强度从540 MPa提高到595 MPa。采用电弧熔丝和轧制复合的修复工艺可以细化修复层微观组织，提高修复层的力学性能，该工艺可以有效解决轴类零件的修复问题。

电弧熔丝增材制造；轧制；轴类零件；修复；再结晶

轴类零件广泛应用于飞机、轮船、列车和机床制造等通用传动领域[1-2]。由于轴类零件长期在恶劣的环境下工作，其表面经常出现疲劳磨损、点蚀或其他缺陷，因此必须进行修理和更换。每年都会有大量的轴类零件被废弃，造成了巨大的资源浪费，同时也不符合绿色循环经济的倡议。轴类零件修复和再制造技术的开发和成功应用，对节能减排和绿色制造具有重大意义[3-4]。

近几十年来，利用先进的增材制造技术修复损伤零件已成为制造业的重要研究热点，其中直接能量沉积（Directed Energy Deposition，DED）技术由于设计自由度较大、可以准确定位等优势而受到了广泛关注[5]。电弧熔丝增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）作为DED工艺之一，其沉积层组织致密、孔隙率小、材料利用率和沉积效率高、设备制造简单且成本低廉，被公认为是零件修复的有效解决方案[6-7]。Li等[8]提出了槽加工和WAAM填充修复金属零件表面缺陷的方法，开发了数学模型以确定WAAM制造参数。Priarone等[9]研究了一种用于铸造内燃机缸盖的H13模具镶块的修复工艺。Lee等[10]研究了机床再制造中使用WAAM修复受损部件的情况，以十字滑台为例进行了修复，分析了修复部件的微观结构、化学成分和力学性能。

上述研究证明了使用WAAM修复或再制造受损零件的可行性，但是大部分研究集中于模具和板类零件的表面修复，对轴类零件表面修复的研究较少，并且在修复后受损零件的修复层、界面和母材金属之间发现了不同的微观结构，这导致硬度梯度发生变化，同时在结合界面处也表现出了较低的力学性能[11-13]，这在零件修复或再制造中是不可接受的。相关研究表明[14-15]，将WAAM与轧制相结合可以优化微观结构、提高硬度和力学性能，这为使用WAAM修复零件提供了新的机遇。根据轧制温度的不同，可分为层间冷轧和原位热轧2种方法。

Colegrove等[14]最先应用层间冷轧优化WAAM零件的微观结构，在室温下施加50～75 kN的载荷实现了晶粒细化。之后，层间冷轧工艺在钛合金[16]、铝合金[17]及高温合金[18]的WAAM制造中都得到了应用。与冷变形相比，复合热变形工艺的成形载荷小，无须等待材料冷却，可以实现原位变形强化。Zhang等[19-20]开发了一种随焊枪运动的热轧工具，在高温下轧制了焊道。Fu等[21]进行了WAAM和热轧复合工艺的研究，减小了零件的各向异性，实现了整体细化和结晶强化。周开心等[22]研究了轧制对WAAM 5A56铝合金组织和性能的影响，研究表明，经轧制复合后成形件的综合性能优于自由沉积态的。

以上研究表明，WAAM和轧制相结合的工艺是可行的，该工艺有效细化了沉积层的微观结构，从而有效提高了硬度和力学性能。然而，目前大多数研究都集中在板类零件的沉积和轧制上，侧重于沉积层的性能，而较少关注受损零件的修复。本文考虑了轴和板类零件之间的差异，并研究了WAAM和原位热轧（HR-WAAM）相结合的轴类零件修复工艺。根据轴类零件的实际尺寸开发并制造了一种用于轴类零件修复的新型设备。为了详细评估轧制对修复性能的影响，对316L不锈钢轴类零件进行了修复实验，并对沉积层和结合界面进行了电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction，EBSD）表征。以期为WAAM和轧制复合工艺在轴类零件修复中的应用提供技术参考，以进一步推动其工业应用。

1 电弧熔丝轧制复合增材工艺原理

轴类零件的HR-WAAM修复工艺原理如图1所示。3个轧辊沿轴向均匀分布，顶部轧辊靠近焊枪，用于轧制焊道；左右两侧的轧辊主要起支撑作用，并对焊道进行二次轧制。在修复过程中，保持焊枪不动，修复的轴类零件做旋转和进给运动，从而实现连续高效的修复。HR-WAAM引入了一组额外的工艺参数，包括轧制力（，kN）、轧辊和焊枪之间的距离（，mm）以及轧制应变（）。轧制应变的定义如式（1）所示。

式中：为初始焊道高度，mm；为轧制后焊道高度，mm。运动参数可由式（2）～（4）计算得出。沉积过程中的线速度（l）如式（2）所示。

式中：为旋转角速度，rad/s；为修复轴直径，mm。轴类零件做螺旋运动，其导程角（）如式（3）所示。

式中：为搭接率；为焊道宽度，mm。进给速度如式（4）所示。

a 圆周视图 b 俯视图

2 实验设备

根据上述工艺原理，开发了一种新型设备，如图2所示。该设备主要由修复模块、旋转模块、进给模块和机身组成。修复模块可完成轴类零件的表面沉积和轧制。主体结构由3个均匀分布的电动缸组件和焊枪安装支架组成（见图2b），通过电动缸控制轧辊的位置，定位精度小于0.05 mm，并配有力传感器实时监测轧制力的变化，同时布置了一个多自由度支架来调整焊枪的位置。旋转模块通过带涡轮减速机的伺服电机实现轴的旋转运动，并通过三爪卡盘实现轴的夹紧。进给模块通过伺服电机和丝杠模块实现轴的进给运动。旋转模块通过底板安装在导向滑块上，并配有支撑装置，以防止重力降低轴的定位精度。该设备可实现长度达1 500 mm、直径达180 mm的轴类零件的维修。

图2 原位热轧工艺设备

3 实验

使用直径为1.2 mm的316L不锈钢丝进行修复，以316L不锈钢轴为基体，其尺寸为140 mm×1 000 mm，厚度为20 mm，其化学成分如表1所示。沉积前，用丙酮抛光清洗轴的表面。所用焊机为林肯直流脉冲氩弧焊机INVERTEC CC400-TP。沉积参数如下：电弧电流为260 A，电弧电压为14.3 V，送丝速度为3 m/min，沉积线速度为6 mm/s，搭接率为0.3。

表1 基底金属和316L不锈钢丝的化学成分

使用FOTRIC 346+热成像红外摄像机监测轧制温度。该相机的精度为±2 ℃，测量范围为−20～ 1 550 ℃，分辨率为384像素×288像素，刷新率为30 Hz。如图3a所示，当轧辊和焊枪之间的距离为25 mm、发射率为0.85时，轧制温度约为826 ℃。轧制温度可通过调整轧辊和焊枪之间的距离来改变。分别采用WAAM和HR-WAAM工艺在轴表面进行沉积，每个沉积层包括8个焊道，长度约为55 mm，共沉积4层，控制轧制力在8 000 N左右，控制轧辊和焊枪的距离约为20 mm，此时轧制温度为940～ 950 ℃，轧制后沉积层如图3b所示。

用于EBSD测试的所有样品均沿轴向切片。在流水下依次用400#、800#、1200#和2000#粒径的碳化硅砂纸对每个试样进行打磨，并用0.25 μm的金刚石石膏进行抛光。使用日立SU3500型扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）在150放大倍率下以2 μm的扫描步长获得750 μm×500 μm的EBSD图。实验数据使用Channel 5软件进行分析。根据晶界错向，对低角度晶界（Low Angle Grain Boundaries，LAGBs）和高角度晶界（High Angle Grain Boundaries，HAGBs）进行分类，2°～15°为LAGBs，大于15°为HAGBs。

拉伸试样的取样位置和尺寸如图3c所示。由于修复层厚度较小，很难沿直径方向切割试样，而且考虑到轴在使用过程中主要承受弯曲和冲击载荷，沿轴向的拉伸性能更为重要。沿轴向将样品切割成圆棒，然后加工成标准尺寸，确保拉伸试样的一半是沉积层，另一半是基体金属。在室温下使用Instron-5982材料试验机以0.5 mm/min的拉伸速度进行拉伸试验，并使用拉伸计测量弹性应变。拉伸试验重复进行了2次以确保其重现性。硬度测量分别在样品的轧制区和重叠区进行。测试间隔为0.5 mm，共测量15个点。

图3 实验参数设置及取样示意图

4 结果与分析

用WAAM和HR-WAAM工艺修复的轴的正视图和横截面图如图4所示。可以看到，WAAM修复表面出现了一些裂纹，HR-WAAM修复表面由轧制区和重叠区交替组成。WAAM的沉积高度约为5 mm，HR-WAAM的沉积高度约为3.6 mm。从横截面图可以看出，WAAM修复表面呈波浪状，而HR-WAAM表面则较为平整。

样品沉积层和结合界面附近的IPF（Inverse Pole Figures）图、晶界分布图和(100)方向的极图如图5所示。由于WAAM试样沉积层的晶粒尺寸过大，因此在测试过程中将扫描步长改为4 μm。如图5a和图5b所示，WAAM试样的沉积层显示出较大的柱状晶粒，尺寸最大可达2 mm，它是在前一层的基础上外延生长的，结合界面由等轴晶粒和长度为100～200 μm的柱状晶粒组成。如图5c所示，HR-WAAM试样在沉积层中显示出高度细化的再结晶晶粒，柱状晶粒被完全吞噬，平均晶粒尺寸仅为14 μm。结合界面附近还包含一些较小的柱状晶粒，这可能是由轧制变形不够导致的。相比于WAAM试样，在HR-WAAM试样的沉积层和结合界面附近还存在大量的LAGBs。此外，WAAM试样的纹理较强，而HR-WAAM试样的纹理较弱，这表明轧制会降低纹理强度，使晶粒的取向更加随机。

图4 修复轴的正视图和横截面图

对HR-WAAM试样的沉积层进行了分辨率更高的EBSD扫描（步长为0.5 μm），以详细观察微观结构的演变，结果如图6所示。可以看到大量的再结晶晶粒，并且在原始晶粒内部有许多LAGBs以及不完整的HAGBs，这种特征通常代表连续动态再结晶（Continuous Dynamic Recrystallization，CDRX）。文献[23]报道了CDRX导致的晶粒细化，即LAGBs逐渐转变为HAGBs，最终形成新的再结晶晶粒。

多道多层试样的硬度测试结果如图7所示，其中A/A1表示轧辊正下方的测量区域，B/B1表示2个焊道重叠区的测量区域。重叠区的硬度较低，轧制后，硬度从175HV左右上升到210HV左右，轧辊正下方区域的硬度从182HV左右上升到230HV左右。

图5 试样不同区域微观结构的IPF图、晶界分布图及相应的(100)极图

图6 HR-WAAM 试样不同区域的IPF及晶界分布图

图7 硬度测量结果

WAAM和HR-WAAM试样的拉伸应力-应变曲线如图8a所示。将测得的拉伸性能与传统的铸造和锻造316L不锈钢的拉伸性能[24]进行了比较，结果如图8b所示。WAAM试样的平均屈服强度、极限抗拉强度和伸长率分别为393 MPa、560 MPa和47%，其中极限抗拉强度达到了锻件水平，屈服强度和伸长率明显优于锻件水平。HR-WAAM试样的屈服强度和极限抗拉强度进一步提高到432 MPa和595 MPa，而伸长率降低了7%，几乎与母材伸长率相同。

试样断裂表面的扫描电镜图像如图9所示。可以看到，2种试样都呈现出韧性断裂模式，表面有大量韧窝。不同的是，在WAAM试样表面发现了较大的空隙（通常为几微米到十几微米宽），而在HR-WAAM试样中没有发现任何空隙，这表明轧制处理可以使孔隙闭合。Kan等[25]也报道了类似的现象：在0.75 kN的轧制载荷下，AM316L的伸长率因孔隙闭合而增大，随着轧制载荷的进一步增大，伸长率逐渐减小，这是由于316L中经常出现强度-延展性权衡。

图9 试样断裂面的 SEM 图像

5 结论

介绍了一种轴类零件电弧熔丝轧制复合的增材修复工艺。开发、制造和测试了一种新型设备，并在316L不锈钢轴上进行了修复实验。结论如下：

1）针对WAAM修复过程中出现的柱状晶粒长大、硬度低和力学性能差等问题，开发并制造了一种WAAM和轧制复合的新型设备，用于修复损坏的轴类零件。

2）当轧制力为8 000 N左右、轧制温度为940～ 950 ℃时，与基体金属相比，HR-WAAM修复层的硬度提高了20%～30%，屈服强度和极限抗拉强度分别提高了96%和12%。

[1] LIU C, JIANG D X, CHEN J, et al. Torsional Vibration and Fatigue Evaluation in Repairing the Worn Shafting of the Steam Turbine[J]. Engineering Failure Analysis, 2012, 26: 1-11.

[2] 徐宏图, 张琦, 罗伟, 等. 轴类零件直线度检测系统研究[J]. 航空制造技术, 2021, 64(Z2): 51-56.

XU Hong-tu, ZHANG Qi, LUO Wei, et al. Research on Straightness Detection for Shaft Parts[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2021, 64(Z2): 51-56.

[3] ZHENG H D, LI E Z, WANG Y, et al. Environmental Life Cycle Assessment of Remanufactured Engines with Advanced Restoring Technologies[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2019, 59: 213-221.

[4] SABOORI A, AVERSA A, MARCHESE G, et al. Application of Directed Energy Deposition-Based Additive Manufacturing in Repair[J]. Applied Sciences-Basel, 2019, 9(16): 3316.

[5] DEBROY T, WEI H L, ZUBACK J S, et al. Additive Manufacturing of Metallic Components-Process, Structure and Properties[J]. Progress in Materials Science, 2018, 92: 112-224.

[6] 李明祥, 张涛, 于飞, 等. 金属电弧熔丝增材制造及其复合制造技术研究进展[J]. 航空制造技术, 2019, 62(17): 14-21.

LI Ming-xiang, ZHANG Tao, YU Fei, et al. Research Progress of Wire and Arc Additive Manufacturing and Hybrid Manufacturing Technology for Metal Components[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2019, 62(17): 14-21.

[7] CUNNINGHAM C R, FLYNN J M, SHOKRANI A, et al. Invited Review Article: Strategies and Processes for High Quality Wire Arc Additive Manufacturing[J]. Additive Manufacturing, 2018, 22: 672-686.

[8] LI Y, HAN Q, HORVATH I, et al. Repairing Surface Defects of Metal Parts by Groove Machining and Wire Plus Arc Based Filling[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2019, 274: 116268.

[9] PRIARONE P C, CAMPATELLI G, CATALANO A R, et al. Life-Cycle Energy and Carbon Saving Potential of Wire Arc Additive Manufacturing for the Repair of Mold Inserts[J]. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2021, 35: 943-958.

[10] LEE J H, LEE C M, KIM D H, et al. Repair of Damaged Parts Using Wire Arc Additive Manufacturing in Machine Tools[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2022, 16: 13-24.

[11] 曾才有, 于杰琳, 张世伟, 等. Invar合金超声频脉冲电弧增材修复界面组织特征[J]. 航空科学技术, 2022, 33(10): 59-65.

ZENG Cai-you, YU Jie-lin, ZHANG Shi-wei, et al. Interfacial Microstructure of Pulsed-Arc Deposited Invar Alloy[J]. Aeronautical Science & Technology, 2022, 33(10): 59-65.

[12] ZHUO Y M, YANG C L, FAN C L, et al. Microstructure and Mechanical Properties of Wire Arc Additive Repairing Ti-6.5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr Titanium Alloy[J]. Materials Science and Technology, 2020, 36(15): 1712-1719.

[13] CHEN Y, YANG C, FAN C, et al. Microstructure Evolution and Mechanical Properties of a Nickel-Based Superalloy Repaired Using Wire and Arc Additive Manufacturing[J]. Materials Characterization, 2022, 193: 112315.

[14] COLEGROVE P A, COULES H E, FAIRMAN J, et al. Microstructure and Residual Stress Improvement in Wire and Arc Additively Manufactured Parts Through High-Pressure Rolling[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2013, 213(10): 1782-1791.

[15] 王桂兰, 符友恒, 梁立业, 等. 电弧微铸轧复合增材新方法制造高强度钢零件[J]. 热加工工艺, 2015, 44(13): 24-26.

WANG Gui-lan, FU You-heng, LIANG Li-ye, et al. New Hybrid Additive Manufacturing Method for Forming High Strength Parts by Weld-rolling[J]. Hot Working Technology, 2015, 44(13): 24-26.

[16] MCANDREW A R, ROSALES M A, COLEGROVE P A, et al. Interpass Rolling of Ti-6Al-4V Wire+Arc Additively Manufactured Features for Microstructural Refinement[J]. Additive Manufacturing, 2018, 21: 340-349.

[17] GU J L, YANG S L, GAO M J, et al. Micropore Evolution in Additively Manufactured Aluminum Alloys under Heat Treatment and Inter-Layer Rolling[J]. Materials & Design, 2020, 186: 108288.

[18] ZHANG T, LI H, GONG H, et al. Effect of Rolling Force on Tensile Properties of Additively Manufactured Inconel 718 at Ambient and Elevated Temperatures[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 884: 161050.

[19] ZHANG H, WANG X, WANG G, et al. Hybrid Direct Manufacturing Method of Metallic Parts Using Deposition and Micro Continuous Rolling[J]. Rapid Prototyping Journal, 2013, 19(6): 387-394.

[20] ZHANG H, WANG R, LIANG L, et al. HDMR Technology for the Aircraft Metal Part[J]. Rapid Prototyping Journal, 2016, 22(6): 857-863.

[21] FU Y, ZHANG H, WANG G, et al. Investigation of Mechanical Properties for Hybrid Deposition and Micro-Rolling of Bainite Steel[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2017, 250: 220-227.

[22] 周开心, 王少华, 张海鸥, 等. 微铸锻对电弧增材制造5A56铝合金组织与性能的影响[J]. 热加工工艺, 2021, 50(5): 12-17.

ZHOU Kai-xin, WANG Shao-hua, ZHANG Hai-ou, et al. Effect of Micro-casting and Forging on Microstructure and Properties of 5A56 Aluminum Alloy Produced by Arc Additive Manufacturing[J]. Hot Working Technology, 2021, 50(5): 12-17.

[23] ZOU X, YAN Z, ZOU K, et al. Grain Refinement by Dynamic Recrystallization during Laser Direct Energy Deposition of 316l Stainless Steel under Thermal Cycles[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 76: 646-655.

[24] YADOLLAHI A, SHAMSAEI N, THOMPSON S M, et al. Effects of Process Time Interval and Heat Treatment on the Mechanical and Microstructural Properties of Direct Laser Deposited 316L Stainless Steel[J]. Materials Science and Engineering: A, 2015, 644: 171-183.

[25] KAN W H, JIANG D, HUMBERT M, et al. Effect of In-Situ Layer-By-Layer Rolling on the Microstructure, Mechanical Properties, and Corrosion Resistance of a Directed Energy Deposited 316l Stainless Steel[J]. Additive Manufacturing, 2022, 55: 102863.

Repair Process of Shaft Parts by Composite Wire and Arc Additive Manufacturing and Rolling

XU Hong-tu, TIAN Tian-tai, HUA Bing-li, ZHAN Wen-bin, HAN Bin, ZHANG Qi*

(School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)

Aiming at the problems of columnar grains in the repair layer and poor repair quality during wire and arc additive repair of shaft parts, the work aims to study the composite repair process of wire and arc additive manufacturing and rolling. The composite process of wire and arc additive manufacturing and rolling used to repair shaft parts was investigated, in which the deposition layer was rolled by the roller after welded by welding torch, so that the material was plastically deformed at high temperature. A novel device was developed, fabricated and tested, and repair experiments were conducted on 316L stainless steel shafts. The effect of rolling on the tensile properties, hardness and microstructure of the repaired part was investigated and the deposition layer and interface were characterized by electron backscatter diffraction (EBSD). Rolling led to dynamic recrystallization (DRX) nucleation, thereby refining the microstructure. Compared with the base metal, the hardness of the repair layer increased by 20%-30%, and the yield strength and ultimate tensile strength increased from 220 MPa to 432 MPa and from 540 MPa to 595 MPa, respectively. The composite repair process of wire and arc additive manufacturing and rolling can refine the microstructure of the repair layer and improve the mechanical properties of repair layer, so it can effectively solve the problems in the repair of shaft parts.

wire and arc additive manufacturing; rolling; shaft parts; repair; recrystallization

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.001

TH162

A

1674-6457(2023)011-0001-08

2023-08-06

2023-08-06

国家自然科学基金（52275375）；陕西地建-西安交大土地工程与人居环境技术创新中心开放基金（201912131-A3）

The National Natural Science Foundation of China (52275375); Technology Innovation Center for Land Engineering and Human Settlements, Shaanxi Land Engineering Construction Group Co., Ltd., and Xi’an Jiaotong University (201912131-A3)

徐宏图, 田天泰, 华昺力, 等. 轴类零件电弧熔丝轧制复合增材修复工艺研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 1-8.

XU Hong-tu, TIAN Tian-tai, HUA Bing-li, et al. Repair Process of Shaft Parts by Composite Wire and Arc Additive Manufacturing and Rolling[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 1-8.

通信作者（Corresponding author）

责任编辑：蒋红晨