层间冷却对电弧增材制造钛合金构件性能的影响

赵昀，梁乐，孙宏伟，陈卫彬，张本顺

（江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006）

0 前言

钛合金具有密度小强度高、抗腐蚀性好、可加工性能好、热膨胀系数低、环保性能好，使用寿命长等一系列卓越性能[1]，作为一种轻质高温材料应用于航空、航天、航海、能源、化工等领域[2]。随着铸造和熔炼技术的发展，以及钛合金构件设计、加工技术的进步，尤其是增材制造等新型材料加工技术的突破，钛合金材料也逐渐广泛用于大型建筑构件以及一般民用建筑上[3-4]。电弧增材制造(Wire arc additive manufacturing,WAAM)是以电弧为热源，焊丝为原料，将熔敷金属按设定的路径逐层沉积、堆敷成形三维实体构件的一种近净成形技术[5]，相比其它增材制造技术，WAAM堆积技术效率高、设备成本低、原材料利用率高、作业环境污染小，在大型金属构件制造中具有广阔的应用前景[6-8]。

在电弧增材制造过程中，受沉积层堆积高度的影响，热传导途径由基板变为周围空气[9-10]，导致制造构件的组织不均一，具有明显的各向异性，即使局部很小的相邻区域，存在不同的组织结构[11-12]，因此，有效控制电弧增材热循环改变或控制沉积层间温度，从而控制沉积材料组织及性能，一直以来是WAAM技术领域的一个研究难点、热点性问题[13-15]。

该文采用基于钨极氩弧焊的增材制造(GTWAAM)工艺对Ti6Al4V 合金进行增材制造试验，利用CO2进行层间冷却，从而控制层间温度，进一步利用金相显微镜、扫描电镜、力学性能测试仪器等研究沉积结构的组织特性及力学性能。该研究为增材制造中层间温度的控制策略及沉积结构质量的改善提供了有效的理论解决方案，并为工业制造应用提供了参考价值。

1 试验方法

在Ti6Al4V 构件的电弧增材制造过程中，所需的试验材料包括基板和焊丝两部分。基板材料为ASTM B265 标准Ti6Al4V 板材，尺寸为200 mm×150 mm×6 mm，焊丝材料为ASTM B863 标准Ti6Al4V 合金焊丝，直径为1.2 mm。具体材料化学成分见表1。

表1 Ti6Al4V 钛合金的化学成分（质量分数，%）

图1 为GT-WAAM 工艺示意图。钨极氩弧焊枪提供热源，送丝机提供填充原料，采用氩气(99.9%)作为堆积过程中局部保护气体，CO2作为层间冷却气体，为了避免冷却气体对电弧的干扰，当电弧停止时，启动冷却装置，直至堆积层末端停止冷却。试验中，冷却喷嘴行走速度与堆积速度保持一致。

图1 GT-WAAM 工艺示意图

焊接工艺参数为焊接电流110 A；电弧电压13 V；行走速度95 mm/min；送丝速度820 mm/min；钨极距母材高度3 mm；钨极与焊丝间夹角60°；GTAW 焊枪保护气体流量15 L/min；局部保护气体流量10 L/min；冷却气体流量320 g/min。

2 试验结果及分析

2.1 沉积过程热循环曲线

图2 为沉积过程中热循环曲线。可以看出，层间冷却可以改变熔池温度，有效降低温度的峰值及幅值。当采用CO2进行层间冷却，平均层间等待时间为225 s，远低于自然冷却时层间等待时间1 300 s。与自然冷却相比，采用CO2进行层间冷却的制造效率可以提高至80%以上。另外，采用层间冷却为增材过程中层间温度的控制提供了有效解决方案，通过控制层间温度，可以控制潜在组织结构的演化，从而改善成形构件的力学性能。

图2 Ti6Al4V 合金GT-WAAM 热循环曲线

2.2 沉积试样形貌

2.2.1 宏观形貌

图3 为Ti6Al4V 合金GT-WAAM 试样宏观形貌。可以看出，电弧增材制造试样明显形成3 个区域：凹形层区、平行层区、凸形层区。不同区域层状结构的成形主要由于堆积过程中散热途径的改变所引起，凹形层区主要集中于热影响区，其大小由热影响区大小决定。平行层区产生于试样底部，由于沉积堆敷过程中，该区域主要通过基板热传导散热，堆积层冷却速率快，因此产生明显的平行层结构。凸形层区产生于试样顶部，在其形成堆敷过程中，由于热量积累在堆积层内部，周围对流散热为主要散热方式，因而冷却速率较慢，这导致堆积层熔融凝固缓慢，从而引起层状液相线的消失。由图3 可知，采用CO2进行层间冷却后，试样的平行层区及凸形层区的带宽明显大于自然冷却试样的带宽，这是由于堆积层冷却速率加快可以引起熔融层凝固加快，另外，由宏观形貌可知，沿着竖直方向有明显的柱状晶组织产生，其与热梯度的方向一致。

图3 Ti6Al4V 合金GT-WAAM 试样宏观形貌

2.2.2 微观形貌

图4 为Ti6Al4V 合金GT-WAAM 试样微观形貌。由于温度梯度和凝固速率的影响，当采用自然冷却时，试样底部平行层区形成魏氏组织，片状的α 相相互交织，如图4(a)所示；在凸形层区域，由于累积热引起的温度梯度的改变，片状的α 相进一步分解为薄层状的α 结构，如图4(b)所示。对于CO2层间冷却制备的Ti6Al4V 试样，由于高的冷却速率，熔池液相过冷度相对于自然冷却的过冷度增大，在平行层及凸形层微观组织中明显形成针状的α′相，如图4(c)和图4(d)所示。也就是说，当采用快速层间冷却时，大量的片状α 相会被针状的α′相所取代，同时伴随着晶粒细化。

图4 Ti6Al4V 合金GT-WAAM 试样微观形貌

2.2.3 冷却气体中的C 与O 元素影响

图5 为冷却试样元素分布示意图。试样底部Ti，Al，V，O 的质量分数分别为88.64%，4.37%，3.50%，3.50%，上部组织中Ti，Al，V，O，C 质量分数分别为81.10%，3.56%，2.92%，5.75%，2.65%。可以看出，在下部区域没有C 元素的存在，而上部区域（凸形层区），C和O 元素的含量明显增加。这是因为随着层数的增高，产生的热积累可能导致冷却气体CO2与堆积金属发生潜在的化学反应，从而导致气体中O 与C 渗透到堆积金属组织中。

一般情况下，氧元素在Ti6Al4V 合金的α 相中具有较高的溶解度，容易形成间隙固溶相，使晶体结构发生严重变形，从而提高组织的硬度和强度，但会降低组织的断后伸长率，同时，过多的O 元素及C 元素会导致接头性能的弱化，极大降低所制试样的质量。因此，层间冷却气体流量、时间及局部保护气体状态需要进一步优化，以确保沉积试样中O 含量维持在合理水平。

2.3 力学性能分析

2.3.1 硬度分析

采用型号为DuraScan 70 自动显微硬度仪对增材试样进行显微硬度测试。测试前将试样打磨抛光，测试区域为整个堆焊增材制造区域由底部到顶部沿着中线，间隔1 mm 取1 采样点。在试验中，加载载荷为0.98 N，加载时间为15 s，试验采用ASTM：F2924 标准。

图6 为GT-WAAM 试样在自然冷却及层间冷却下的硬度。可以看出，层间冷却的平均显微硬度略高于自然冷却的显微硬度，当采用CO2进行强制层间冷却时，堆积层冷却速度快于自然冷却，从而给组织带来更多的晶界和位错，产生更高的显微硬度。此外，在高冷却速率下获得的Ti6Al4V 组织由大量针状和非平衡成分的α′相组成，它们通常在高冷却速率下比在低冷却速率下硬度、强度更高。值得注意的是，对于自然冷却试样来讲，片状α′相与薄层状α′相具有相似的结晶结构，即使在改变工艺条件的情况下，其硬度在整体上也是均匀分布的。

图6 GT-WAAM 试样显微硬度

2.3.2 强度分析

利用型号为MTS370 电子万能材料拉伸试验机对电弧增材制造试样（沿行走方向取样）进行拉伸试验，拉伸试样采取非标准光滑试样，试验温度为25 ℃，拉伸速率为0.4 mm/min.

图7 为GT-WAAM 试样在自然冷却和层间冷却状态下的抗拉强度及断后伸长率。可以看出，与构件采用自然冷却的方式相比，采用CO2层间冷却方式，构件具有较高的拉伸强度及较低的断后伸长率，说明层间冷却有利于提升GT-WAAM 制造构件的材料性能。对于Ti6Al4V 的α+β 组织结构，高的冷却速率及快速凝固有利于β 相的增加，更易达到相平衡状态[5]，从而提高强度。

图7 GT-WAAM 试样力学性能

3 结论

（1）在电弧增材制造过程中应用层间冷却，层间等待时间可极大缩短，制造效率可提高至少80%。

（2）堆积过程种散热途径改变及热积累引起堆积试样组织产生凹形层区、平行层区、凸形层区。合理控制层间温度，进而控制带状组织区域的发展有利于改善结构的力学性能。

（3）采用CO2气体层间冷却，有利于电弧增材制造构件质量的改善，其可以细化组织晶粒，得到针状的α′相，从而提高组织硬度，加强构件力学性能，但构件断后伸长率稍有降低。