CMT电弧增材制造5087铝合金组织与拉伸性能研究.pdf

2024年 第1期 热加工105增 材 制 造Additive ManufacturingCMT电弧增材制造5087铝合金组织与拉伸性能研究唐作富，陈国瑞，吴广辉湖南联诚轨道装备有限公司 湖南株洲 412001摘要：电弧增材制造（WAAM）技术具有沉积效率高、热输入低、成形工艺稳定、力学性能优异等优点，在大尺寸金属构件直接成形领域具有广阔的应用前景。采用基于冷金属过渡（CMT）的WAAM技术成形5087铝合金，研究了单道多层成形工艺及尺寸控制，分析了微观组织结构及拉伸性能。结果显示：单层高度和宽度的成形尺寸精度0.5mm。通过观察样品金相组织发现，晶粒形态呈现明显的柱状晶特征，在试样水平截面，晶粒尺寸分布在1050m之间；在垂直截面，晶粒尺寸分布在5080m之间。在晶粒内部，枝晶表现为树枝状和胞状共存状态。拉伸测试结果显示：试样最大抗拉强度分布在200230MPa之间，最大屈服强度分布在100120MPa之间，伸长率分布在6%12%之间，电弧增材铝合金内部气孔对试样拉伸性能造成了不利影响。关键词：电弧增材；铝合金；组织结构；拉伸性能Study on the microstructure and tensile properties of 5087 aluminum alloy by CMT wire and arc additive manufacturingTANG Zuofu,CHEN Guorui,WU GuanghuiHunan Lince Rolling Stock Equipment Co.Ltd.,Zhuzhou 412001,Hunan,China Abstract:Wire and Arc Additive Manufacturing(WAAM)technology features high deposition efficiency,low heat input,stable forming process,and excellent mechanical properties,offering broad application prospects in the direct forming of large-size metal components.The WAAM technique based on Cold Metal Transfer(CMT)was employed to form 5087 aluminum alloy,where the single-cladding and multi-layer forming process and dimensional control were studied,and the microstructure and tensile properties were analyzed.The results showed that the dimensional accuracy of single-cladding height and width is within 0.5mm.Metallographic examination of the samples revealed that the grain morphology exhibited columnar crystal characteristics.On the horizontal cross-section of the samples,grain sizes ranged from 10m to 50m,while on the vertical cross-section,they ranged from 50m to 80m.Within the grains,dendrites were present in a mixed state of dendritic and cellular.Tensile test results indicated that the maximum tensile strength of the samples ranged between 200MPa and 230MPa,the maximum yield strength ranged between 100MPa and 120MPa,and the elongation was between 6%and 12%.The porosity in the 5087 aluminum alloy adversely affected the tensile properties of the samples by WAAM.Keywords:Wire and Arc Additive Manufacturing；aluminum alloy；microstructure；tensile property2024年 第1期 热加工106增 材 制 造Additive Manufacturing1 序言随着国家“双碳”政策和节能减排措施的持续推进，各种运载装备越来越朝着轻量化方向发展，而铝合金无疑是实现轻量化结构最常见的材料之一1，2。目前，各种铝合金结构已经在C919大型客机、CRH380高速列车、新能源汽车及濒海战斗舰船体等运载装备上得到了成功应用，这些铝合金结构件的应用不仅能够减轻装备自身的重量，还能提升装备的比强度和比刚度，降低单位能耗和运行成本。铝合金之所以能成为一种优异的轻量化结构材料，不仅是因为其具有密度低、比强度高、弹性模量高等特点，还因为其具有良好的液态流动性和固态延展性等物理属性，因此具有良好的铸造性能、可轧制性、焊接性和可加工性的优点3，4。然而，随着运载装备朝着高速度、高性能、高颜值等方向快速发展，对铝合金结构的功能性要求却越来越高，比如整体化结构，拓扑优化结构、异形结构等各种复杂结构，这无疑将给铝合金结构件的一体化制造和成形增加了难度。焊接是铝合金结构件制造最常用的方法之一，但焊接容易造成热输入大、结构变形大、焊接接头静强度和疲劳强度偏低等问题，这在一定程度上制约了铝合金复杂结构件的广泛应用。而其他类似挤压、铸造、机械加工等方法都无法解决铝合金复杂结构件的制造难题3，4。增材制造是最近20年发展起来的一项新型金属零部件直接成形技术，其特殊的工艺过程使得该技术不仅能解决复杂零件整体成形难题，还能进一步提升成形零件的力学性能，并能真正实现在材料成形过程中对形状和性能进行精准控制的目的5。尤其是随着电弧增材制造技术不断突破6，7，使大尺寸复杂金属结构件的高效率、高性能、低成本成形变成现实。电弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）技术已经成功应用于重载火箭发动机外壳、宇宙飞船返回舱底架、大尺寸卫星主承力支架等结构件的制造，充分展示出了该技术的综合优势。研究表明，在铝合金电弧增材制造过程中，由于液态铝合金表面张力较小、热导率较高以及工艺窗口较窄等因素，电弧增材制造过程中的铝合金熔池极不稳定8，9。不稳定的熔池不仅会导致气孔缺陷并影响到力学性能，还会造成单道熔覆层的形状控制失败，最终导致零件无法成形。因此，深入研究铝合金电弧增材制造过程中单道单层成形规律，及其组织结构和力学性能等基础问题，是铝合金电弧增材制造技术领域的研究热点和迫切需求。本文将围绕这些问题展开研究，以加深对铝合金电弧增材制造技术的理解和认识。2 设备与方法电弧增材制造设备热源采用Fronius公司生产的TPS4000-CMT Advanced焊机，并将焊枪固定于发那科机械手臂末端。采用自主离线编程方式，控制机械手臂移动，实现所有试样的电弧增材制造成形。设备和焊枪外观如图1所示。图1 电弧增材制造设备和焊枪电弧增材制造成形基板材质为6082-T6铝合金，基板尺寸为300mm300mm20mm。所有的电弧增材制造试样成形均采用ER5087铝合金焊丝，焊丝直径为1.2mm。ER5087铝合金焊丝化学成分见表1。表1 ER5087铝合金化学成分（质量分数）（%）MnSiCuCrTiZnFeZrMgAl0.7 1.10.25 0.050.0 5 0.250.15 0.250.4 0.10.24.55.2 余量经工艺优化，电弧增材5087铝合金主要焊接参数为：焊接电流177A，电弧电压19.7V，送丝速度10m/min，焊接速度10mm/s，保护气体为氩气，气体流量25L/min。在多道沉积过程中，每道之间的搭接率为30%。单道宽度设置为5.5mm，单道高度设置为3.5mm。电弧增材制造结束后，首先将试样从铝合金基板上切割，然后采用线切割方式按照相2024年 第1期 热加工107增 材 制 造Additive Manufacturing应标准，将试样切割成金相和拉伸试样。焊接接头将被切割成标准金相试样与拉伸试样，采用光学显微镜及金相软件进行气孔率分析，并进行拉伸性能 测试。3 结果与讨论 3.1 单道单层成形电弧增材制造是一种零部件的净近成形技术，控形是该技术重要的因素之一。根据增材制造技术点-线-面-体的制造原理，电弧增材制造中单道沉积宽度和高度以及单层沉积高度和宽度，是决定整个零件尺寸精度乃至零件最终是否能够成形的关键因素。因此，下面分析单道单层的成形规律。图2所示为电弧增材制造5087铝合金的单道单层和多层形貌。从图2可看出，所有沉积层的形貌整齐，沉积层表面没有出现肉眼可见的缺陷、黏附物或飞溅物。图3所示为在单层沉积层中，单道尺寸的变化趋势。图3 电弧增材制造铝合金单道尺寸变化趋势从图3可看出，在某一单层沉积过程中，随着沉积道数从15，单层总宽度几乎呈直线上升趋势。这说明，每道熔覆层的宽度趋于稳定。从图3中的单道宽度和单道高度曲线可看出，单道高度和宽度的平均数值为3.26mm和5.5mm。而在单道高度变化趋势中，第1道的高度要略小于其余4道的高度，这是由于第1道没有与任何其他沉积道搭接，而从第2道开始，依次在上一道上进行搭接而产生的差异。同理，在单道宽度的变化趋势中，第1道的宽度略宽于其余4道的高度，这也是由于第1道没有搭接，而从第2道开始，依次在上一道上进行搭接而产生的高度差。第2道后，高度和宽度的数值变化均趋于稳定，这也表明参数的稳定性和可重复性。图4所示为在不同沉积层数下，单层高度和宽度的变化趋势。图4 电弧增材制造铝合金不同沉积层下宽度和高度的变化趋势从图4可看出，电弧增材制造5087铝合金从第1层到第6层的高度（宽度）呈现出先变小（大），然a）第1层b）第2层c）第3层d）第4层e）第5层f）第6层图2 电弧增材铝合金单层和多层形貌2024年 第1期 热加工108增 材 制 造Additive Manufacturing后趋于稳定的变化趋势。对于单层宽度而言，这是因为随着沉积层数的增高，边沿沉积时熔池有往外流动的倾向，但随着沉积层数越来越高，这种流动趋向于稳定。因此，随着沉积层数增高，单层沉积层的高度和宽度也逐渐变得稳定。这也说明，在电弧增材制造过程中，距离成形基板较近的沉积层，其高度与宽度分别呈现变大和变小的变化趋势。而待沉积层逐渐增高，沉积层的高度和宽度变得稳定。上述结果对于电弧增材制造铝合金的控形具有参考意义。3.2 组织结构分析在电弧增材制造过程中，单个熔池随着电弧热源的移动而移动，因此熔池内部的热量向熔池的下部及已沉积的固体部分进行传递，最终传导至基板，使得熔池快速冷却凝固而形成沉积层。在熔池的热传递过程中，由于熔池在高速移动，因此热传递的方向并不是垂直于基板向下，而是具有一定的倾斜角度。而晶粒的生长方向恰恰与热传递反方向相同，因此电弧增材铝合金晶粒的生长方向也应与基板垂直方向具有一定的倾斜角度。相关晶粒生长的变化规律与其他热源的增材制造相类似5。图5所示为电弧增材制造5087铝合金金相组织。从图5a可看出，上下两层的沉积层之间有明显的冶金结合区域，即蓝色虚线区域。该区域也就是上下相邻两层的搭接区域。此外，从图5a还可明显看到，搭接区域存在一些不规则气孔，这些气孔分布在单道沉积层内或相邻沉积层之间的区域，这可能是由于在电弧增材制造过程中，铝合金材料的不完全熔化或气体没及时逸出熔池而导致的。这些气孔缺陷可通过后续工艺调节，或加大惰性气体保护等措施来避免或减弱。图5b、c所示分别为电弧增材制造5087铝合金X-Y水平截面和X-Z垂直截面的微观金相组织。结合两个截面的金相组织形貌可看出，电弧增材制造铝合金晶粒形貌表现为明显的柱状晶组织结构。经测量，柱状晶粒长度与宽度尺寸大约分布在80200m和50100m之间，晶粒度大约为56级。同时，从图5b还可看出，柱状晶的方向与基板的垂直方向存在一定的倾斜角度，这也印证了上述关于柱状晶生长方向论述的正确性。a）宏观金相 b）X-Y截面微观组织c）X-Z垂直截面微观组织图5 电弧增材制造铝合金金相组织图5揭示了在电弧增材制造铝合金过程中，零件的定向沉积导致定向热传导，定向热传导导致定向柱状晶生长的规律。为了进一步探究柱状晶粒的生长特点，图6所示为单个柱状晶粒内部微观组织结构形貌。从图6可看出，电弧增材制造5087铝合金柱状晶粒内部枝晶形貌表现为树枝晶和胞状晶共存。进一步分析发现，这种树枝晶和胞状晶的共存分布并没有特殊的规律，这可能是由于在电弧增材过程中，电弧热源能量密度过小，导致熔池体积过大，熔池内部和外部的过冷度存在差异所导致的10。图6 电弧增材制造铝合金单个柱状晶粒内微观组织2024年 第1期 热加工109增 材 制 造Additive Manufacturing从图6还可看出，在枝状晶区域内，一次枝晶臂间距大小分布在3060m。而在胞状晶区域内，一次枝晶臂间距大小分布在3040m，分布更加集中。枝状晶区的一次枝晶臂间距的不均匀同样与熔池体积较大及熔池内外部过冷度差异较大有关系。3.3 拉伸性能分析图7所示为1#6#试样的拉伸性能测试结果。从图7中可看出，6个试样的最大抗拉强度分布在220240MPa之间，屈服强度分布在100120MPa之间，伸长率则分布在6%12%之间。a）强度 b）伸长率图7 电弧增材制造铝合金拉伸性能测试结果上述拉伸性能表明，由于电弧增材制造铝合金过程中的气孔缺陷，以及成形过程中铝合金较大的热输入导致的热应力等原因，使电弧增材制造5087铝合金的拉伸性能低于5系铝合金电弧焊的性能3，4。从图7还可看出，2#和3#试样的拉伸性能明显低于其他试样的拉伸性能，这可能是由于工艺局部不稳定或熔池塌陷8，9，导致这2个试样内部缺陷增多，进而影响其拉伸性能。因此，进一步提升铝合金电弧增材制造工艺的稳定性，并适当采用其他改性工艺，如热处理、热等静压、表面强化等，从而对成形的铝合金零件性能进一步优化提升11，12。4 结束语1）在CMT电弧增材制造5087铝合金过程中，搭接和熔池的流动是造成尺寸偏差的主要因素。但在经历多道多层增材后，单道沉积层的高度和宽度数值均可控制在0.5mm。2）在电弧增材制造5087铝合金晶粒形态呈现明显的柱状晶特征，在试样水平截面，晶粒尺寸分布在1050m，在垂直截面，晶粒尺寸分布在5080m。在晶粒内部，枝晶表现为树枝状和胞状共存状态。3）电弧增材制造5087铝合金拉伸测试结果显示，试样最大抗拉强度分布在200230MPa之间，最大屈服强度分布在100120MPa之间，伸长率分布在6%12%之间，电弧增材5087铝合金内部气孔对试样拉伸性能造成了不利影响。参考文献：1 张铂洋，李旭，张玉娇，等.铝合金电弧增材制造研究现状J.表面技术，2023，52（11）：111-127.2 营梦，郭纯，李云，等.铝合金电弧增材制造技术研究发展现状J.金属加工（热加工），2021（7）：29-25.3 YONETANI H.Laser-MIG hybrid welding to aluminium alloy carbody shell for railway 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