張亮 卞文卓 盧佳豪 劉江平

摘 要：為了解決電弧增材制造試樣晶粒粗大、機(jī)械性能較差等問題，在電弧增材制造2319鋁合金過程中施加機(jī)械振動(dòng)，分析了機(jī)械振動(dòng)頻率和幅度對試樣微觀組織和機(jī)械性能的影響。結(jié)果顯示：機(jī)械振動(dòng)使熔池流動(dòng)性提高，熔池更加鋪展，層寬增加，層高降低；振動(dòng)破碎了生長過程中的枝晶，使INZ晶粒尺寸減小14.49 μm，ITZ晶粒尺寸減小4.68 μm；枝晶間隙處的溶質(zhì)元素含量降低，晶界析出相變得斷續(xù)且細(xì)小，PLC效應(yīng)間隔增加，材料延伸率顯著提高；機(jī)械振動(dòng)頻率和機(jī)械振動(dòng)幅度改變時(shí)縱向和橫向延伸率分別提升了38.2%，15.7%和29.3%，52.5%，而強(qiáng)度變化并不顯著。采用機(jī)械振動(dòng)輔助電弧增材制造能夠在不影響強(qiáng)度的前提下顯著提高試樣的塑性，可為機(jī)械振動(dòng)在增材制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：焊接工藝與設(shè)備；電弧增材制造；機(jī)械振動(dòng)；微觀組織；機(jī)械性能

中圖分類號：TG444?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ??文章編號：1008-1542（2024）02-0189-09

Effect of mechanical vibration on microstructure and mechanical properties of wire arc additively manufactured 2319 aluminum alloy

ZHANG Liang1， BIAN Wenzhuo1， LU Jiahao1， LIU Jiangping2

（1.School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang， Hebei 050018，China;2.Department of Precision Manufacturing and Engineering， Suzhou Vocational Institute of Industrial Technology， Suzhou， Jiangsu 215104， China）

Abstract：In order to solve the problems of coarse grain and poor mechanical properties of wire arc additive manufacturing specimens， mechanical vibration was applied in the process of wire arc additive for manufacturing 2319 aluminum alloy， and the effects of mechanical vibration frequency and amplitude on the microstructure and mechanical properties of specimens were analyzed. The results show that the mechanical vibration improves the fluidity of the molten pool， making it more spread out， while the layer width increases and the layer height decreases. Vibration breaks the dendrites during the growth process， which refines the INZ grains by 14.49 μm and the ITZ grains by 4.68 μm. The content of solute elements at dendrites gap decreases， so that the precipitated phase becomes intermittent and fine， so that the intervals of PLC phenomenon increases， which significantly improves the elongation of the material. The longitudinal and transverse elongation increase by 38.2%， 15.7% and 29.3%， 52.5%， respectively， when the mechanical vibration frequency and mechanical vibration amplitude change， while the strength of specimen does not change significantly. It is found that the use of mechanical vibration-assisted arc additive manufacturing can significantly improve the plasticity of the specimen without affecting the strength， which provides theoretical basis and technical reference for its wide application.

Keywords：welding process and equipment; wire arc additive manufacturing; mechanical vibration; microstructure; mechanical properties

電弧增材制造技術(shù)（WAAM）因其在制造過程中具有幾何自由度高、可定制化程度高、材料浪費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)，引起了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注[1-2]。作為一種可熱處理鋁合金，2319鋁合金具有良好的塑韌性和焊接性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車以及船舶工業(yè)中。然而，使用WAAM制造的2319鋁合金工件存在晶粒粗大、氣孔含量多、偏析等問題，影響了其機(jī)械性能，限制了其在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用，故需要開發(fā)新的工藝以改善此類問題[3-4]。

目前，普遍采用復(fù)合電弧增材制造[5]技術(shù)改善WAAM過程中出現(xiàn)的問題[6]。由于機(jī)械振動(dòng)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、控制簡單并且不受工件幾何形狀制約等優(yōu)點(diǎn)，在制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，因此本研究將機(jī)械振動(dòng)作為復(fù)合工藝施加于電弧增材制造過程中。

低頻機(jī)械振動(dòng)技術(shù)目前在焊接和鑄造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7-12]。研究發(fā)現(xiàn)，低頻機(jī)械振動(dòng)提高了熔池流動(dòng)性，加速了熔融態(tài)金屬的結(jié)晶，破碎了生長中的枝晶，從而細(xì)化晶粒，降低試樣的殘余應(yīng)力，提高試樣機(jī)械性能[7-8]。在MA等[13]以及ZHANG等[14]的研究中發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)通過在枝晶臂上施加彎曲應(yīng)力使枝晶破碎，形成更多的形核質(zhì)點(diǎn)，從而細(xì)化晶粒。ZHANG等［14］提到，由于振動(dòng)對熔池的攪拌作用，消除了夾層的細(xì)粒區(qū)，降低了氣孔率。

CHEN等[15]研究了機(jī)械振動(dòng)對鑄造AZ91D合金微觀組織和機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明，機(jī)械振動(dòng)提高了液態(tài)合金的流動(dòng)性，減少了缺陷的產(chǎn)生；同時(shí)抑制枝晶的生長，使整體組織成分更加均勻，提升了工件的機(jī)械性能。VARUN等[16]在振動(dòng)對重力壓鑄LM25鋁合金影響的研究中發(fā)現(xiàn)，晶粒細(xì)化效果和凝固過程中的冷卻速率隨著振動(dòng)頻率的增加而增加。

但在電弧增材制造過程中有關(guān)增加低頻機(jī)械振動(dòng)的研究較少。ZHANG等[14]研究了機(jī)械振動(dòng)對電弧增材制造Al-Mg合金組織和性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)通過對枝晶臂施加彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致枝晶斷裂，從而細(xì)化晶粒；同時(shí)增強(qiáng)了對熔池的攪拌作用，材料的氣孔率降低；但研究中沒有提及機(jī)械振動(dòng)對析出相形態(tài)改變以及整體分布的變化情況，需要做進(jìn)一步的研究。

本文將機(jī)械振動(dòng)作為復(fù)合工藝施加于電弧增材制造過程中，通過改變機(jī)械振動(dòng)的頻率和振幅，探究機(jī)械振動(dòng)對電弧增材制造2319鋁合金微觀組織和機(jī)械性能的影響，闡述機(jī)械振動(dòng)對晶粒細(xì)化以及溶質(zhì)分布的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 機(jī)械振動(dòng)輔助電弧增材制造系統(tǒng)

如圖1所示，本次實(shí)驗(yàn)使用Fronius CMT Advanced 4000型電源以及VR 7000型送絲機(jī)，搭配FANUC M10ia焊接機(jī)器人。保護(hù)氣體采用高純度氬氣（99.999%），流量為20 L/min。電弧模式采用CMT-PADV模式，與其他CMT電弧模式相比，CMT-PADV模式能有效降低熱輸入，抑制粗大柱狀晶的形成，降低孔隙缺陷，因此在本次實(shí)驗(yàn)中采用CMT-PADV模式。

電源采用一元化調(diào)節(jié)模式，焊接速度為48 cm/min，送絲速度為4 m/min，對應(yīng)電流為76 A，電壓為11.7 V，層間溫度控制在35 ℃。本次研究振動(dòng)設(shè)備采用毫克能HK2012振動(dòng)應(yīng)力消除（vibration stress relief，VSR）裝置，使用工控機(jī)控制直流勵(lì)磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速以控制振動(dòng)頻率；振幅及振動(dòng)加速度通過調(diào)節(jié)偏心轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角來改變。使用UNI-T UT315A型外接振動(dòng)探測儀測量振動(dòng)加速度以及振幅等數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與焊槍移動(dòng)方向一致。

首先將偏轉(zhuǎn)角固定于8°，直流勵(lì)磁電機(jī)轉(zhuǎn)速被分別改變?yōu)? 200，3 000，4 800 r/min，對應(yīng)的振動(dòng)頻率為20，50，80 Hz；而后將轉(zhuǎn)速固定至1 200 r/min，偏轉(zhuǎn)角分別改變?yōu)?°，8°，12°，并設(shè)置不加振動(dòng)的無振動(dòng)組。不同偏轉(zhuǎn)角對應(yīng)的振動(dòng)幅度與加速度列于表1中。由于機(jī)械振動(dòng)頻率與機(jī)械振動(dòng)幅度產(chǎn)生的效果類似，本次實(shí)驗(yàn)中采用振動(dòng)幅度0.07 mm組進(jìn)行分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

采用ER2319鋁合金焊絲，直徑為1.2 mm；采用厚度為10 mm的5A06鋁合金板作為基板，實(shí)驗(yàn)前清理基板表面氧化膜。焊絲以及基板的化學(xué)成分分別如表2、表3所示。

1.3 微觀組織及性能檢測

在薄壁墻中心位置取若干金相試樣，分別使用800目（18 μm），1 000目（15 μm），1 500目（10 μm），2 000目（7.5 μm）SiC砂紙打磨后，使用2.5 μm和0.5 μm的金剛石拋光劑拋光。拋光后的試樣使用Keller試劑（HF 2 mL， HCl 3 mL， HNO3 5 mL，H2O 190 mL）腐蝕后，使用徠卡DMI-8型倒置金相顯微鏡對微觀組織進(jìn)行觀察并記錄，使用徠卡S9i型體式顯微鏡測量熔覆層的層高與層寬。使用Bruker Advance D8型X射線衍射儀對微觀組織的相構(gòu)成進(jìn)行分析，掃描范圍設(shè)置為20°～90°。使用搭載Bruker X-flash6-30 EDS探頭的Zeiss EVO-10掃描電子顯微鏡對試樣的晶粒和晶界析出相進(jìn)行觀察和分析，并對斷口進(jìn)行掃描分析，加速電壓設(shè)置為15 kV。

采用ISO 6892-1：2009標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)拉伸試樣，在薄壁墻的橫向與縱向分別取3個(gè)拉伸試樣，在室溫下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速率設(shè)置為1 mm/min。采用MTS-CMT4104型10 kN萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，取3個(gè)試樣的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 機(jī)械振動(dòng)對薄壁墻成型尺寸的影響

圖2為試樣外觀，圖3為試樣的熔覆層層高與層寬測量數(shù)據(jù)。從圖3可以看出，隨著振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度的增加，層高逐漸降低，層寬逐漸增加：平均層寬從5.5 mm增加到5.8 mm，提升了0.3 mm；平均層高從2.1 mm減少到1.9 mm，下降了0.2 mm。在本次實(shí)驗(yàn)所選取的參數(shù)范圍內(nèi)，振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度的變化對試樣成型尺寸的影響效果相似。

這種現(xiàn)象表明，機(jī)械振動(dòng)迫使熔池振蕩，熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)性提高，熔池更加鋪展。隨著薄壁墻高度的增加，這種變化不斷積累，提高了材料利用率和薄壁墻的成型精度，減少了后續(xù)的切削加工量。此外，更加鋪展的熔池有利于位于底層的氣泡上浮，從而降低材料的氣孔率，提高承載面積。

2.2 機(jī)械振動(dòng)對微觀組織的影響

金相圖像顯示機(jī)械振動(dòng)使試樣的晶粒得到一定程度的細(xì)化。頂層組織由等軸樹枝晶和等軸晶構(gòu)成，當(dāng)熔敷下一層時(shí)，頂層組織受到強(qiáng)烈的熱作用，等軸樹枝晶將轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。機(jī)械振動(dòng)的加入細(xì)化了頂層的組織，從而使頂層的組織更加細(xì)小，進(jìn)一步細(xì)化了轉(zhuǎn)變后的等軸晶。

通常認(rèn)為，層內(nèi)區(qū)域（inner-layer zone，INZ）由粗大等軸晶粒構(gòu)成，其處在熔池底部，是初始凝固的位置，機(jī)械振動(dòng)作用對此區(qū)域晶粒大小的影響較為顯著。而層間區(qū)域（inter-layer zone，ITZ）由細(xì)小等軸晶粒構(gòu)成[17]，其本身晶粒較為細(xì)小，機(jī)械振動(dòng)作用對此區(qū)域的作用并不明顯。使用Image J統(tǒng)計(jì)了振動(dòng)幅度改變時(shí)，薄壁墻中部的晶粒大?。ㄒ妶D4），粗晶區(qū)（INZ）的晶粒尺寸由64.69 μm降低至50.20 μm，降低了14.49 μm，而細(xì)晶區(qū)（ITZ）的晶粒尺寸由10.76 μm降低至6.08 μm，降低了4.68 μm。

熔池中的液態(tài)金屬在結(jié)晶過程中受到機(jī)械振動(dòng)往復(fù)的振蕩力作用（見圖5）。這種作用“打碎”了正在結(jié)晶過程中的晶粒，增加了形核質(zhì)點(diǎn)，從而細(xì)化晶粒。此外，破碎的晶粒碎片將隨著液態(tài)金屬不斷運(yùn)動(dòng)、不斷生長，阻礙晶粒的繼續(xù)生長，進(jìn)一步細(xì)化晶粒。機(jī)械振動(dòng)促進(jìn)熔池流動(dòng)，位于液相中的高溫液態(tài)金屬在振動(dòng)作用下不斷沖擊正在生長中的枝晶，使枝晶部分熔化，增強(qiáng)了機(jī)械振動(dòng)的枝晶破碎作用。

Al-Cu合金的溶質(zhì)濃度與熔點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)。RUVALCABA等[18]發(fā)現(xiàn)，由于溶質(zhì)元素在枝晶頸部富集，導(dǎo)致枝晶頸部的熔點(diǎn)降低。振動(dòng)作用促使高溫液態(tài)金屬不斷流動(dòng)，沖擊生長過程中的枝晶，在熱流沖擊作用下，枝晶頸部容易發(fā)生“重熔”現(xiàn)象，導(dǎo)致枝晶頸部變細(xì)（如圖5中綠色箭頭所示），在機(jī)械振動(dòng)的往復(fù)振動(dòng)力作用下更加容易發(fā)生斷裂。同時(shí)，液態(tài)金屬流將位于晶粒間隙中的溶質(zhì)元素帶入液相，使初始結(jié)晶位置的溶質(zhì)濃度降低，從而改善INZ區(qū)域的析出相形態(tài)，并提高液相的形核率。

此外，振動(dòng)的加入一定程度上使熔池初始階段的冷卻速率提高。WANG等[19]研究發(fā)現(xiàn)，隨著冷卻速率的提高，等軸樹枝晶的生長速度增加，一次枝晶臂變細(xì)，二次枝晶臂更發(fā)達(dá)；在振動(dòng)加速度的作用下，一次枝晶臂更加容易斷裂，進(jìn)一步增強(qiáng)振動(dòng)的枝晶破碎作用。

圖6為不同振動(dòng)幅度下微觀組織的SEM圖像。通過圖6可以看出，INZ的晶粒受到機(jī)械振動(dòng)的影響較為顯著。在機(jī)械振動(dòng)下，INZ晶粒細(xì)化，晶內(nèi)析出相減少。分析認(rèn)為，由于熔池在過飽和狀態(tài)下結(jié)晶，溶質(zhì)元素將首先在晶界以及其他缺陷處析出，最終導(dǎo)致溶質(zhì)元素大部分集中在晶界，其余部分在晶內(nèi)呈球狀析出；而機(jī)械振動(dòng)促進(jìn)熔池流動(dòng)，使得溶質(zhì)的分布更加均勻，晶內(nèi)析出相減少。而ITZ的晶粒相比于INZ并無顯著變化，機(jī)械振動(dòng)并未對ITZ區(qū)域產(chǎn)生顯著影響。

在Al-Cu合金凝固過程中，首先發(fā)生Cu原子的富集，形成Cu原子富集區(qū)（G.P.區(qū)）；在熱作用下G.P.區(qū)進(jìn)一步發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成亞穩(wěn)定的θ″相以及θ′相，在持續(xù)熱作用下最終形成穩(wěn)定的α-Al+θ-Al2Cu共晶組織。機(jī)械振動(dòng)的加入使熔池更加鋪展，一定程度上提高了熔池的冷卻速率，從而可能對析出相產(chǎn)生影響。由圖7可以看出，試樣微觀組織主要由α-Al基體以及θ-Al2Cu相構(gòu)成，機(jī)械振動(dòng)并沒有顯著影響試樣的相組成。

圖8為INZ的EDS結(jié)果，無振動(dòng)組中存在較為粗大且連續(xù)分布的析出相，溶質(zhì)元素大部分存在于晶界處的α-Al+θ-Al2Cu共晶組織中[20]，其余以球狀在晶內(nèi)析出。機(jī)械振動(dòng)使位于晶內(nèi)的析出相減少，并且改善了晶界α-Al+θ-Al2Cu共晶組織的形態(tài)。

2.3 機(jī)械振動(dòng)對試樣機(jī)械性能的影響

試樣的機(jī)械性能如圖9所示，可以看出，振動(dòng)的加入顯著提高了試樣的延伸率：當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)整至4 800 r/min（頻率增加至80 Hz）時(shí)，橫向和縱向延伸率分別由19.15%和17.03%提升至22.19%和23.48%，當(dāng)轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角調(diào)整為12°（振幅增加至0.07 mm）時(shí)，橫向和縱向延伸率分別從19.15%和17.03%提升至23.73%和22.44%；試樣的極限抗拉強(qiáng)度（UTS）并無顯著變化。

晶粒越細(xì)小，單位體積內(nèi)參與變形的晶粒數(shù)量增加，使變形更加均勻，推遲了裂紋的形成和發(fā)展，工件可承受的塑性變形量增加；晶粒越細(xì)小，單位體積內(nèi)晶界數(shù)量增加，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在晶界處被阻礙；晶界數(shù)量的增多能夠使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增加，從而同時(shí)提高試樣的塑性和強(qiáng)度。機(jī)械振動(dòng)雖然使晶粒細(xì)化、延伸率顯著提高，但是強(qiáng)度并無顯著變化，這一現(xiàn)象可能與晶粒內(nèi)析出相的分布有關(guān)。

雖然機(jī)械振動(dòng)使晶粒細(xì)化的同時(shí)減少了INZ晶內(nèi)析出相，影響了材料的沉淀強(qiáng)化效果，改善了晶界析出相的形態(tài)，提高了工件的延伸率，但是析出相對位錯(cuò)的釘扎作用隨著析出相的減少而降低，進(jìn)一步影響了強(qiáng)度。塑性變形與位錯(cuò)在微觀組織內(nèi)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到基體中的析出相顆粒的影響，從而影響材料的性能。根據(jù)Orowan理論（見式1），位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到析出相阻礙，晶內(nèi)析出相的減少有利于提高晶粒的塑性，但對強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響[21]。

σOR=3Gbλ ， （1）

式中：σOR為位錯(cuò)繞過析出相所需增加的切應(yīng)力；λ為析出相顆粒間距；G為切變模量；b為位錯(cuò)伯氏矢量長度。

由式（1）可知，隨著振動(dòng)加速度的增加，基體析出相顆粒的間距增大，析出相的體積分?jǐn)?shù)降低，從而σOR降低，基體塑性變形能力提高，橫向延伸率與縱向延伸率顯著提高。但是塑性和強(qiáng)度通常為相互矛盾的參數(shù)，塑性的提高對強(qiáng)度產(chǎn)生了負(fù)面的影響。

相關(guān)研究表明，鋁合金拉伸過程中出現(xiàn)的PLC效應(yīng)（鋸齒狀波動(dòng)）與塑性變形過程中析出相對位錯(cuò)的阻礙作用有關(guān)。試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖10所示，振動(dòng)減少了晶內(nèi)析出相的數(shù)量，析出相之間的間隙增加，導(dǎo)致晶粒內(nèi)析出相對位錯(cuò)的釘扎作用減弱。試樣在塑性變形過程中，位錯(cuò)在晶?；泼嫔匣谱枇档?，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積所需變形量增加，鋸齒狀波動(dòng)的間隙增大[22]。

3 結(jié) 語

將機(jī)械振動(dòng)施加于電弧增材制造過程中，研究了機(jī)械振動(dòng)頻率和幅度改變對電弧增材制造試樣微觀組織和機(jī)械性能的影響，為機(jī)械振動(dòng)在電弧增材制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。主要結(jié)論如下。

1）機(jī)械振動(dòng)增加了熔池的流動(dòng)性，使熔池更加鋪展，降低了層高，增加了層寬，提高了成型精度。

2）2319鋁合金的微觀組織由α-Al基體與θ-Al2Cu相組成，機(jī)械振動(dòng)的加入并沒有顯著影響微觀組織的相組成。

3）機(jī)械振動(dòng)通過對生長中的枝晶施加往復(fù)的作用力使枝晶斷裂，從而細(xì)化晶粒；同時(shí)減少晶內(nèi)析出相，減弱了沉淀強(qiáng)化效果，最終導(dǎo)致強(qiáng)度沒有顯著變化，但是延伸率得到顯著提高。

本文并沒有完全展開機(jī)械振動(dòng)頻率與機(jī)械振動(dòng)幅度對微觀組織的影響研究，后續(xù)研究中將針對以上2個(gè)參數(shù)進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)。

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責(zé)任編輯：馮民

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51775007）；河北省自然科學(xué)基金（E2019208199）；河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（23311811D，19211016D）；河北省科技重大專項(xiàng)（23261601Z）

第一作者簡介：張亮（1980—），男，河北保定人，副教授，博士，主要從事電弧增材制造和攪拌摩擦焊方面的研究。

通信作者：劉江平，博士。E-mail： liujp@siit.edu.cn張亮，卞文卓，盧佳豪，等.機(jī)械振動(dòng)對電弧增材制造2319鋁合金微觀組織與機(jī)械性能的影響［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2024，45（2）：189-197.ZHANG Liang，BIAN Wenzhuo，LU Jiahao，et al.Effect of mechanical vibration on microstructure and mechanical properties of wire arc additively manufactured 2319 aluminum alloy［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2024，45（2）：189-197.