唐作富，陳國瑞，吳廣輝

湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

隨著國家“雙碳”政策和節(jié)能減排措施的持續(xù)推進，各種運載裝備越來越朝著輕量化方向發(fā)展，而鋁合金無疑是實現(xiàn)輕量化結構最常見的材料之一[1，2]。目前，各種鋁合金結構已經(jīng)在C919大型客機、CRH380高速列車、新能源汽車及瀕海戰(zhàn)斗艦船體等運載裝備上得到了成功應用，這些鋁合金結構件的應用不僅能夠減輕裝備自身的重量，還能提升裝備的比強度和比剛度，降低單位能耗和運行成本。

鋁合金之所以能成為一種優(yōu)異的輕量化結構材料，不僅是因為其具有密度低、比強度高、彈性模量高等特點，還因為其具有良好的液態(tài)流動性和固態(tài)延展性等物理屬性，因此具有良好的鑄造性能、可軋制性、焊接性和可加工性的優(yōu)點[3，4]。然而，隨著運載裝備朝著高速度、高性能、高顏值等方向快速發(fā)展，對鋁合金結構的功能性要求卻越來越高，比如整體化結構，拓撲優(yōu)化結構、異形結構等各種復雜結構，這無疑將給鋁合金結構件的一體化制造和成形增加了難度。

焊接是鋁合金結構件制造最常用的方法之一，但焊接容易造成熱輸入大、結構變形大、焊接接頭靜強度和疲勞強度偏低等問題，這在一定程度上制約了鋁合金復雜結構件的廣泛應用。而其他類似擠壓、鑄造、機械加工等方法都無法解決鋁合金復雜結構件的制造難題[3，4]。

增材制造是最近20年發(fā)展起來的一項新型金屬零部件直接成形技術，其特殊的工藝過程使得該技術不僅能解決復雜零件整體成形難題，還能進一步提升成形零件的力學性能，并能真正實現(xiàn)在材料成形過程中對形狀和性能進行精準控制的目的[5]。尤其是隨著電弧增材制造技術不斷突破[6，7]，使大尺寸復雜金屬結構件的高效率、高性能、低成本成形變成現(xiàn)實。電弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）技術已經(jīng)成功應用于重載火箭發(fā)動機外殼、宇宙飛船返回艙底架、大尺寸衛(wèi)星主承力支架等結構件的制造，充分展示出了該技術的綜合優(yōu)勢。

研究表明，在鋁合金電弧增材制造過程中，由于液態(tài)鋁合金表面張力較小、熱導率較高以及工藝窗口較窄等因素，電弧增材制造過程中的鋁合金熔池極不穩(wěn)定[8，9]。不穩(wěn)定的熔池不僅會導致氣孔缺陷并影響到力學性能，還會造成單道熔覆層的形狀控制失敗，最終導致零件無法成形。因此，深入研究鋁合金電弧增材制造過程中單道單層成形規(guī)律，及其組織結構和力學性能等基礎問題，是鋁合金電弧增材制造技術領域的研究熱點和迫切需求。本文將圍繞這些問題展開研究，以加深對鋁合金電弧增材制造技術的理解和認識。

2 設備與方法

電弧增材制造設備熱源采用Fronius公司生產(chǎn)的TPS4000-CMT Advanced焊機，并將焊槍固定于發(fā)那科機械手臂末端。采用自主離線編程方式，控制機械手臂移動，實現(xiàn)所有試樣的電弧增材制造成形。設備和焊槍外觀如圖1所示。

圖1 電弧增材制造設備和焊槍

電弧增材制造成形基板材質為6082-T6鋁合金，基板尺寸為300mm×300mm×20mm。所有的電弧增材制造試樣成形均采用ER5087鋁合金焊絲，焊絲直徑為1.2mm。ER5087鋁合金焊絲化學成分見表1。

表1 ER5087鋁合金化學成分（質量分數(shù)）（%）

經(jīng)工藝優(yōu)化，電弧增材5087鋁合金主要焊接參數(shù)為：焊接電流177A，電弧電壓19.7V，送絲速度10m/min，焊接速度10mm/s，保護氣體為氬氣，氣體流量25L/min。在多道沉積過程中，每道之間的搭接率為30%。單道寬度設置為5.5mm，單道高度設置為3.5mm。電弧增材制造結束后，首先將試樣從鋁合金基板上切割，然后采用線切割方式按照相應標準，將試樣切割成金相和拉伸試樣。焊接接頭將被切割成標準金相試樣與拉伸試樣，采用光學顯微鏡及金相軟件進行氣孔率分析，并進行拉伸性能測試。

3 結果與討論

3.1 單道單層成形

電弧增材制造是一種零部件的凈近成形技術，控形是該技術重要的因素之一。根據(jù)增材制造技術點-線-面-體的制造原理，電弧增材制造中單道沉積寬度和高度以及單層沉積高度和寬度，是決定整個零件尺寸精度乃至零件最終是否能夠成形的關鍵因素。因此，下面分析單道單層的成形規(guī)律。

圖2所示為電弧增材制造5087鋁合金的單道單層和多層形貌。從圖2可看出，所有沉積層的形貌整齊，沉積層表面沒有出現(xiàn)肉眼可見的缺陷、黏附物或飛濺物。圖3所示為在單層沉積層中，單道尺寸的變化趨勢。

圖2 電弧增材鋁合金單層和多層形貌

從圖3可看出，在某一單層沉積過程中，隨著沉積道數(shù)從1～5，單層總寬度幾乎呈直線上升趨勢。這說明，每道熔覆層的寬度趨于穩(wěn)定。從圖3中的單道寬度和單道高度曲線可看出，單道高度和寬度的平均數(shù)值為3.26mm和5.5mm。而在單道高度變化趨勢中，第1道的高度要略小于其余4道的高度，這是由于第1道沒有與任何其他沉積道搭接，而從第2道開始，依次在上一道上進行搭接而產(chǎn)生的差異。同理，在單道寬度的變化趨勢中，第1道的寬度略寬于其余4道的高度，這也是由于第1道沒有搭接，而從第2道開始，依次在上一道上進行搭接而產(chǎn)生的高度差。第2道后，高度和寬度的數(shù)值變化均趨于穩(wěn)定，這也表明參數(shù)的穩(wěn)定性和可重復性。

圖4所示為在不同沉積層數(shù)下，單層高度和寬度的變化趨勢。

圖4 電弧增材制造鋁合金不同沉積層下寬度和高度的變化趨勢

從圖4可看出，電弧增材制造5087鋁合金從第1層到第6層的高度（寬度）呈現(xiàn)出先變小（大），然后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。對于單層寬度而言，這是因為隨著沉積層數(shù)的增高，邊沿沉積時熔池有往外流動的傾向，但隨著沉積層數(shù)越來越高，這種流動趨向于穩(wěn)定。因此，隨著沉積層數(shù)增高，單層沉積層的高度和寬度也逐漸變得穩(wěn)定。這也說明，在電弧增材制造過程中，距離成形基板較近的沉積層，其高度與寬度分別呈現(xiàn)變大和變小的變化趨勢。而待沉積層逐漸增高，沉積層的高度和寬度變得穩(wěn)定。上述結果對于電弧增材制造鋁合金的控形具有參考意義。

3.2 組織結構分析

在電弧增材制造過程中，單個熔池隨著電弧熱源的移動而移動，因此熔池內部的熱量向熔池的下部及已沉積的固體部分進行傳遞，最終傳導至基板，使得熔池快速冷卻凝固而形成沉積層。

在熔池的熱傳遞過程中，由于熔池在高速移動，因此熱傳遞的方向并不是垂直于基板向下，而是具有一定的傾斜角度。而晶粒的生長方向恰恰與熱傳遞反方向相同，因此電弧增材鋁合金晶粒的生長方向也應與基板垂直方向具有一定的傾斜角度。相關晶粒生長的變化規(guī)律與其他熱源的增材制造相類似[5]。

圖5所示為電弧增材制造5087鋁合金金相組織。從圖5a可看出，上下兩層的沉積層之間有明顯的冶金結合區(qū)域，即藍色虛線區(qū)域。該區(qū)域也就是上下相鄰兩層的搭接區(qū)域。此外，從圖5a還可明顯看到，搭接區(qū)域存在一些不規(guī)則氣孔，這些氣孔分布在單道沉積層內或相鄰沉積層之間的區(qū)域，這可能是由于在電弧增材制造過程中，鋁合金材料的不完全熔化或氣體沒及時逸出熔池而導致的。這些氣孔缺陷可通過后續(xù)工藝調節(jié)，或加大惰性氣體保護等措施來避免或減弱。

圖5 電弧增材制造鋁合金金相組織

圖5b、c所示分別為電弧增材制造5087鋁合金X-Y水平截面和X-Z垂直截面的微觀金相組織。結合兩個截面的金相組織形貌可看出，電弧增材制造鋁合金晶粒形貌表現(xiàn)為明顯的柱狀晶組織結構。經(jīng)測量，柱狀晶粒長度與寬度尺寸大約分布在80～200μm和50～100μm之間，晶粒度大約為5～6級。同時，從圖5b還可看出，柱狀晶的方向與基板的垂直方向存在一定的傾斜角度，這也印證了上述關于柱狀晶生長方向論述的正確性。

圖5揭示了在電弧增材制造鋁合金過程中，零件的定向沉積導致定向熱傳導，定向熱傳導導致定向柱狀晶生長的規(guī)律。為了進一步探究柱狀晶粒的生長特點，圖6所示為單個柱狀晶粒內部微觀組織結構形貌。從圖6可看出，電弧增材制造5087鋁合金柱狀晶粒內部枝晶形貌表現(xiàn)為樹枝晶和胞狀晶共存。進一步分析發(fā)現(xiàn)，這種樹枝晶和胞狀晶的共存分布并沒有特殊的規(guī)律，這可能是由于在電弧增材過程中，電弧熱源能量密度過小，導致熔池體積過大，熔池內部和外部的過冷度存在差異所導致的[10]。

圖6 電弧增材制造鋁合金單個柱狀晶粒內微觀組織

從圖6還可看出，在枝狀晶區(qū)域內，一次枝晶臂間距大小分布在30～60μm。而在胞狀晶區(qū)域內，一次枝晶臂間距大小分布在30～40μm，分布更加集中。枝狀晶區(qū)的一次枝晶臂間距的不均勻同樣與熔池體積較大及熔池內外部過冷度差異較大有關系。

3.3 拉伸性能分析

圖7所示為1#～6#試樣的拉伸性能測試結果。從圖7中可看出，6個試樣的最大抗拉強度分布在220～240MPa之間，屈服強度分布在100～120MPa之間，伸長率則分布在6%～12%之間。

圖7 電弧增材制造鋁合金拉伸性能測試結果

上述拉伸性能表明，由于電弧增材制造鋁合金過程中的氣孔缺陷，以及成形過程中鋁合金較大的熱輸入導致的熱應力等原因，使電弧增材制造5087鋁合金的拉伸性能低于5系鋁合金電弧焊的性能[3，4]。從圖7還可看出，2#和3#試樣的拉伸性能明顯低于其他試樣的拉伸性能，這可能是由于工藝局部不穩(wěn)定或熔池塌陷[8，9]，導致這2個試樣內部缺陷增多，進而影響其拉伸性能。因此，進一步提升鋁合金電弧增材制造工藝的穩(wěn)定性，并適當采用其他改性工藝，如熱處理、熱等靜壓、表面強化等，從而對成形的鋁合金零件性能進一步優(yōu)化提升[11，12]。

4 結束語

1）在CMT電弧增材制造5087鋁合金過程中，搭接和熔池的流動是造成尺寸偏差的主要因素。但在經(jīng)歷多道多層增材后，單道沉積層的高度和寬度數(shù)值均可控制在≤0.5mm。

2）在電弧增材制造5087鋁合金晶粒形態(tài)呈現(xiàn)明顯的柱狀晶特征，在試樣水平截面，晶粒尺寸分布在10～50μm，在垂直截面，晶粒尺寸分布在50～80μm。在晶粒內部，枝晶表現(xiàn)為樹枝狀和胞狀共存狀態(tài)。3）電弧增材制造5087鋁合金拉伸測試結果顯示，試樣最大抗拉強度分布在200～230MPa之間，最大屈服強度分布在100～120MPa之間，伸長率分布在6%～12%之間，電弧增材5087鋁合金內部氣孔對試樣拉伸性能造成了不利影響。