梁文奇　任香會　于振濤　韓善果　王瑞超　黃學飛

0 引言

近年來，隨著結(jié)構(gòu)件輕量化的發(fā)展，鎂合金材料受到了廣泛關(guān)注。目前，鎂合金主要通過鑄造、鍛造等傳統(tǒng)熱加工方式成形。雖然鑄造鎂合金的比強度很高，但其屈服極限較低，不足以承受較大載荷，且在鑄造過程中容易產(chǎn)生裂紋和縮孔等缺陷。此外，鎂的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，在室溫下僅有3個滑移系，室溫加工性能不佳，且成形效率不高，難以制備出具有復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的制品。隨著近年來鎂合金材料在醫(yī)療器械領(lǐng)域應用的不斷發(fā)展，高質(zhì)量及具備復雜結(jié)構(gòu)的鎂合金零部件的需求越來越大，人們對鎂合金的加工成形工藝提出了更高層次的要求，具備結(jié)構(gòu)設(shè)計和成形優(yōu)勢的增材制造技術(shù)受到了業(yè)界研究人員的關(guān)注。

因為鎂合金粉末具有蒸發(fā)溫度低、蒸氣壓高、易燃易爆等固有特性，在增材制造過程中容易引起粉末飛濺，所以傳統(tǒng)的粉末基激光增材制造技術(shù)（Laser Additive Manufacturing， LAM）在制備含鎂金屬材料時很難成功精確成形，或即便能夠最終完成制備，其所耗費的原材料和時間代價也過高。而電弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing， WAAM）通過使用金屬絲材熔覆、堆積的方式避免了此類不足，是一種理想的鎂合金增材制造方法，破除了增材制造應用于鎂合金等材料的技術(shù)障礙。而基于熔化極惰性氣體保護焊（Melt Inert-gas Welding， MIG）的WAAM工藝具有平臺搭建簡便、沉積效率高的特點，能夠很好地應用于鎂合金的增材制造。Shen等探究了 TIG-MIG 復合增材制造方法對AZ31B合金性能的影響，通過調(diào)控工藝參數(shù)，最終獲得的增材制造AZ31B鎂合金質(zhì)量較好，證明WAAM 是一種適合鎂合金增材制造的方法。Li等采用WAAM技術(shù)制備了單層AZ31薄膜，結(jié)果表明與鑄態(tài)AZ31相比，WAAM法制備的AZ31具有晶粒更細化、無織構(gòu)取向和穩(wěn)定的腐蝕性能等明顯優(yōu)勢。Han等進行了 AZ91D 鎂合金的等離子弧增材制造實驗，證明了電弧增材制造AZ91D鎂合金具有比鑄造AZ91D更高的耐腐蝕性，但其獲得的沉積層表面存在斷續(xù)、駝峰等影響試樣成形的缺陷，難以進行多層試樣的制備。

本文將對基于MIG焊的電弧增材制造工藝開展兩組不同路徑的AZ31鎂合金增材制造實驗，并對其微觀組織和力學性能進行分析，為鎂合金成形工藝研究提供工藝參數(shù)及性能參考。

1 實驗

選取直徑Ф1.2 mm的AZ31B鎂合金焊絲作為電弧增材制造原材料，焊絲抗拉強度為320 MPa， 其化學成分如表1所示。并采用此焊絲熔煉出10 mm厚的塊體作為增材基板。

實驗中所用的增材制造系統(tǒng)由 KUKA KR20工業(yè)機器人、CLOSS QINTRON 400焊接電源及其配套送絲機構(gòu)組成，保護氣選用15 L/min高純氬。實驗開始前，使用角磨機去除基板表面氧化膜，再用酒精清理后吹干，調(diào)節(jié)焊槍與基板距離至約12 mm， 在基板上進行兩組不同沉積路徑的電弧增材制造實驗，如圖1所示，過程中始終保持焊絲與基板處于垂直方向。圖1（a）單道次多層往復堆積路徑實驗中，堆積電流為70 A，焊接速度為35 cm/min， 增材構(gòu)件的高度為7.2 cm， 寬度為1.3 cm， 長度為11.5 cm； 圖1（b）多道次多層往復堆積路徑實驗中，堆積電流為80 A，焊接速度為15 cm/min， 增材構(gòu)件的高度為3.2 cm， 寬度為6.5 cm， 長度為13 cm。

用電火花線切割機床將成形構(gòu)件切割出金相試樣以及60 mm×12 mm×2 mm的拉伸試樣，對金相試樣打磨拋光后使用Zeiss MM-440D金相顯微鏡進行金相組織觀察，并分析其化學成分。采用Wilson VH1202維氏顯微硬度儀對增材構(gòu)件自下而上進行顯微硬度測試，每個取樣點間隔0.5 mm， 選用0.3 kg的加載載荷，加載時間10 s； 采用GP-TS 2000M/300kN伺服控制萬能材料試驗機進室溫拉伸斷裂實驗，拉伸速率為1 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

如圖2所示，電弧增材制造AZ31鎂合金構(gòu)件表面呈現(xiàn)出典型的金屬熔覆特征，每道次沉積層內(nèi)具有明顯的魚鱗紋特征，層與層之間存在清晰的熔合線。其中單道次多層往復堆積路徑下的增材構(gòu)件相較之下具有較好的平整度，構(gòu)件兩端高度一致。其沉積層的層厚隨著層數(shù)的增加而增加，原因在于每道次沉積層經(jīng)歷多次熱輸入與重熔作用，使得熔池的流動性增加，而越高層數(shù)的沉積層受到的累積熱輸入越少，頂部沉積層則只經(jīng)歷受到一次熱輸入的常規(guī)熔化、凝固過程。多道次多層往復堆積路徑下的增材構(gòu)件由于每層需要沉積的熔融金屬量較大，因此預設(shè)參數(shù)時選擇了更慢的焊接速度以期望獲得更高的致密度。但實際構(gòu)件呈現(xiàn)出每層沉積層的高度并不穩(wěn)定、構(gòu)件頂部存在一定程度起伏的現(xiàn)象，且當沉積層數(shù)較多時在較高處出現(xiàn)了未熔合連接的間隙，如圖2（b）中框圖所示。

2.2 化學成分及致密度

表2 為增材構(gòu)件化學成分，與表1中原始焊絲化學成分對比可以發(fā)現(xiàn)，Al、Fe、Mn等合金元素的相對含量發(fā)生了微量的增加，而Zn元素的相對含量有略微的降低，這是由于Mg、Zn元素其本身具備的低蒸氣壓、易燒損性質(zhì)導致的，增材構(gòu)件成分仍符合GB/T 5153-2016中對AZ31鎂合金的要求，氣體雜質(zhì)元素的引入也在所容許的范圍內(nèi)。

基于阿基米德法測得單道次多層往復堆積構(gòu)件密度為1.763 3 g/cm3，多道次多層往復堆積構(gòu)件成形良好區(qū)域的密度為1.749 4 g/cm3，而AZ31軋板密度為1.78 g/cm3，由此推算構(gòu)件致密度分別為99.06%及98.28%。

2.3 微觀組織

參考圖3通過Calphad軟件Jmatpro計算所得的AZ31鎂合金平衡凝固條件下的相組成圖，得知室溫下AZ31鎂合金的析出相包括Al3Fe、 Al4Mn、Mg2Si以及Mg17Al12，結(jié)合圖3（d）X射線衍射譜圖可知WAAM-AZ31構(gòu)件室溫下的相組成為α-Mg基體以及β-Mg17Al12析出相。

由圖 4可見，熔敷區(qū)組織的晶粒尺寸相較于基板發(fā)生了明顯的細化，且其分布更為彌散、均勻。其原因在于鎂合金絲材在增材過程中發(fā)生了高溫熔化，而鎂合金具備的高導熱系數(shù)，有利于熔池的快速冷卻。較大的過冷度再加之良好的散熱條件使得熔池金屬快速凝固、結(jié)晶并抑制晶粒長大。

如圖 5所示，隨著高度的增加，構(gòu)件的熱影響區(qū)范圍呈現(xiàn)擴大的趨勢，底部、中部、頂部的熱影響區(qū)厚度分別約為300、550、750 μm， 這也與宏觀形貌中沉積層厚度隨著構(gòu)件高度的增加而增大的趨勢相一致。由圖5（c）可見構(gòu)件底部的平均晶粒尺寸約為：焊縫區(qū)10 μm、熱影響區(qū)18 μm， 顯著小于中部及頂部區(qū)域：焊縫區(qū)15 μm、熱影響區(qū)30 μm（圖5（e）、圖5 （g）），原因在于構(gòu)件底部的熔覆金屬在凝固時基板的熱積累較小，獲得了較大的溫度梯度和凝固速度，使得晶粒得以細化。

2.4 力學性能

如圖6所示，電弧增材制造AZ31鎂合金顯微硬度值隨著高度增加而呈現(xiàn)出有規(guī)律的起伏，其原因在于增材構(gòu)件是由一層一層的焊道熔合組成，其成分和組織隨焊道和層間交界區(qū)循環(huán)變化，層間交界區(qū)由于較大的熱輸入會導致晶粒有粗化的趨勢，使得其硬度值表現(xiàn)低于焊道，因此硬度值也呈現(xiàn)出這種起伏變化的趨勢。

單道次多層往復堆積路徑下的增材構(gòu)件平均顯微硬度值為52.7HV，多道次多層往復堆積路徑下的增材構(gòu)件平均顯微硬度值為53.2HV，兩者兩差不大但后者的分布更為集中，硬度基本分布在45HV～60HV。

圖7為電弧增材制造AZ31鎂合金拉伸應力-應變曲線，可見單道次多層往復堆積路徑下的增材構(gòu)件成分均勻、性能穩(wěn)定，平均屈服強度Rp0.2為77.3 MPa， 平均抗拉強度Rm為235 MPa， 基本達到原始焊絲75%的力學性能水平；平均斷后伸長率達26.3%，顯著優(yōu)于多道次多層往復堆積路徑構(gòu)件。而多道次多層往復堆積路徑下的構(gòu)件顯然成分分布不均勻、致密度不足，構(gòu)件存在較多缺陷，但成形效果最佳區(qū)域的試樣力學性能表現(xiàn)較為良好，屈服強度Rp0.2為76 MPa， 抗拉強度Rm為237 MPa， 斷后伸長率達22%。拉伸斷面掃描電鏡圖如圖8所示，兩個路徑下的增材構(gòu)件斷口有明顯的撕裂棱和尺寸分布雜亂的韌窩凹坑，具有典型的韌性斷裂特征。多道次多層往復堆積構(gòu)件的拉伸斷口宏觀形貌顯然較單道次多層往復堆積更為平整，這也與拉伸實驗結(jié)果中多道次多層往復堆積構(gòu)件較差的斷后伸長率表現(xiàn)相印證，其斷口形貌中也發(fā)現(xiàn)了不同尺寸的氣孔、未熔合空位等缺陷，也在很大程度降低了其拉伸性能。

3 結(jié)論

1）焊絲與增材構(gòu)件的化學成分相比未發(fā)生較大變化，Mg、Zn元素發(fā)生了微量的燒損，Al、Fe、Mn等合金元素的含量發(fā)生了相對增加，有微量氣體雜質(zhì)元素的引入，構(gòu)件成分仍在國標規(guī)定的范圍內(nèi)。證實了電弧增材制造AZ31鎂合金方案中的成分一致性。

2）結(jié)合平衡相圖得知室溫下AZ31鎂合金主要組織為α-Mg以及β-Mg17Al12，通過金相分析得出增材構(gòu)件的微觀組織相較于基板分布更為彌散、均勻、細小。

3）單道次多層往復堆積路徑相較于多道次多層往復堆積路徑，構(gòu)件表面更為平整，兩端高度一致且內(nèi)部更為致密。前者平均屈服強度為77.3 MPa， 平均抗拉強度為235 MPa， 平均顯微硬度為52.7HV，平均斷后伸長率為26.3%；而后者成分分布不均勻，構(gòu)件內(nèi)部存在氣孔。

本文摘自《材料科學與工藝》2023年第5期