CN114473135A - 基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，将超声冲击处理的超声氧化效应和元素转移效应用到电弧増材制造过程中，有效改善了电弧增材金属构件微观组织，提升了综合力学性能。在电弧增材制造的同时对已成形构件进行超声冲击处理；超声冲击过程中所采用的冲击针具有特定的化学成分，且其硬度小于或等于构件金属的硬度，在超声冲击氧化效应下使冲击针元素在构件的分层表面形成氧化物，该氧化物在后续打印过程中与构件所用金属同时熔化，形成熔池，并与熔池中发生冶金反应，形成微小颗粒状状氧化物，进而影响金属结晶方式和固态相变。
Description
技术领域
本发明涉及电弧增材制造领域，尤其涉及一种基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法及其应用。
背景技术
电弧增材制造技术(Wire+Arc Additive Manufacturing，WAAM)利用焊接电弧为热源、金属丝材为原料进行增材制造，具有高熔覆率，低材料和设备消耗、较好结构完整性等特点，可有效弥补锻造和铸造技术在较复杂结构件制造方面的不足，具有广泛应用前景。但电弧增材常具备以下几个方面的不足：1，电弧增材制造熔池金属的结晶一般是以凝固金属边缘形核，外延生长，故熔池中以柱状晶为主，而电弧增材制造的热源一般是高能点热源，电弧局部加热材料且移动工作，造成局部材料急速加热，急速冷却，熔池液态金属在在结晶过程中有较大的温度梯度。为柱状晶的成长提供了更为有利的条件，故熔池内更容易形成粗大的柱状晶，进而影响到电弧增材制造构件的综合力学性能。2，电弧增材制造金属各区域局部经历多次不平衡热循环作用，导致其残余应力较大，且应力状态复杂。3，电弧增材制造过程中，熔池金属在自由状态下凝固，未经锻造或轧制等塑性加工处理，故凝固金属中容易出现气孔、未熔合等“空洞”类缺陷。这些缺陷都是影响电弧増材构件服役寿命的重要因素，因此降低或消除电弧增材的各种组织缺陷、调控其残余应力水平对于提升电弧增材构件的综合力学性能，保障构件的质量和服役可靠性具有重要意义。
目前改善电弧增材制造金属构件组织和降低缺陷的方法有机械处理方法，如对焊道进行碾压、钢针或硬质合金针超声冲击处理；温度调控方法如打印过程中采用水冷、液态二氧化碳等介质强制冷却方法等让构件快速冷却从而降低晶粒长大倾向等。就超声冲击处理而言，目前的研究多是采用超声处理使得构件产生塑性变形，进而弥合气孔、未熔合等“空洞”类缺陷。如中国专利CN108067705A提供了一种CMT-超声冲击复合增材制造的方法，其在电弧增材制造的同时进行超声冲击处理，以使得构件表面发生塑性变形，进而减少成形构件中气孔数量和气孔体积。又如中国专利CN111687553A提供了一种超声冲击改善电弧增材制造结构件残余应力分布的方法，其在残余应力的焊道处进行超声冲击处理，以消除残余应力。
奥氏体晶内针状铁素体(Acicular Ferrite，AF)是一种细针状分布、具有大角度晶界的相互连锁组织，该组织具有良好强韧性和良好抗断裂性，能提高钢材的强度和韧性，还能使钢材抗解理断裂能力增强，进而提高金属材料和构件的抗应力腐蚀能力和抗氢脆能力也明显提高，且构件中针状铁素体含量越高，其综合性能越好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，其可提升构件的综合力学性能。
为了解决上述问题，本发明公开了一种基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，在电弧增材制造的同时采用特定成分、硬度的冲击针对已成形构件进行超声冲击处理；
所述冲击针包含以下元素中的一种或几种：Ti，Al，V，Mg，Ca，Mn，Si，Ni，Mo，Zr；超声冲击处理前构件表面的温度为150～300℃；
所述冲击针的硬度小于或等于构件金属的硬度，以使冲击针在超声冲击氧化效应下使冲击针元素在构件的分层表面形成氧化物，该氧化物在后续打印过程中与构件所用金属同时熔化，形成熔池，并与熔池中发生冶金反应，形成微小颗粒状氧化物，进而影响金属结晶方式和固态相变。
本发明在电弧增材制造的同时对已凝固金属进行超声冲击处理，其具备三个方面的作用：
一是诱导材料发生再结晶、细化晶粒、均匀化组织。具体的，超声冲击处理的冲击针不断以一定强度冲击电弧增材制造的金属，使电弧増材金属冲击区域的材料发生了塑性变形，使晶格发生歪扭，晶粒破碎，且致使凝固金属发生塑性变形，具备一定的塑性储能，为已凝固金属在后续电弧增材制造热循环作用下发生再结晶提供条件，进一步细化晶粒，均匀化组织，改善材料综合力学性能。
二是使电弧増材金属冲击区域的材料发生了塑性变形，在小区域内具有锻造效果，弥合了打印金属内的空洞类缺陷。
三是通过超声冲击处理氧化效应，形成利于针状铁素体形核的球状氧化物，促进晶内针状铁素体形成，进而提升材料综合力学性能。具体的，本发明中采用的冲击针的冲的硬度等于或小于电弧增材制造金属构件的硬度，这样冲击针尖端在超声冲击作用下破碎，形成小颗粒并形成氧化物，该类氧化物在后续的打印过程中，和表层增材金属同时被熔化形成熔池，并经历冶金反应，形成特定成分、特定尺寸的微小夹氧化物颗粒，这些氧化物颗粒成为针状铁素体的形核剂，促使奥氏体晶内针状铁素体的形核，并最终形成诸多不同晶界方向的针状铁素体，进而提升材料综合力学性能。当超声冲击处理和电弧增材同步进行时，超声振动对熔池液态金属有搅拌作用，进一步细化晶粒。
即，本发明将超声冲击处理的机械强化效应、氧化效应和元素转移效应用到电弧増材制造过程中，有效提升了制造所得构件的综合力学性能。
具体的，在本发明的一个实施例之中，当构件打印过程中同一轨迹长度大于1m，且同一轨迹上没有重复路径时，电弧增材制造与超声冲击处理同步进行。即采用电弧在前，超声冲击枪紧随其后的方式。具体的，两者之间的距离按照下述公式计算：
L＝T·v
其中，L为电熔头与超声冲击头之间的距离，T为构件分层冷却至150～300℃所需的时间，v为电熔头移动的速度。
具体的，在本发明的一个实施例之中，当构件打印过程中同一轨迹的长度＜1m，或当构件打印过程中路径重复时，先采用电弧增材制造完一层金属，然后采用超声冲击处理。即在打印完一层金属后暂停打印，启动超声冲击处理该层金属，待冲击处理完成后，再重新启动增材制造，开始增材制造下一层金属。
具体的，在本发明的一个实施例中，超声冲击处理时，超声冲击枪的移动速度为0.5～3m/min，冲击强度为1～3s/mm2，冲击频率为100～200Hz，超声冲击枪电源的功率为300W～1500W，发生频率为15～35kHz。需要说明的是，本发明中超声冲击处理的具体工艺参数不限于上述范围，本领域技术人员可根据打印构件的材质、大小、分层参数等对超声冲击处理的参数进行调整。
具体的，在本发明的一个实施例之中，冲击针为整体圆柱形、锥形或带扁尖的圆柱形，但不限于此。优选的为锥形或带扁尖的圆柱形。冲击针的长度为30～50mm，但不限于此；冲击针的直径为3～4mm(圆柱形，则为柱形直径；圆锥形，则为锥形底面的直径)，但不限于此。
具体的，在本发明的一个实施例中，当构件所用金属中含有Mn时，所述冲击针含有Ti、Al、V。该类冲击针进行超声冲击处理，容易形成Ti氧化物(TiO，Ti2O3)和Al2O3，这些氧化物容易使得针状铁素体形核。其中，TiO与铁素体之间错配度小，晶体结构相似，因而容易形核。在含Mn的条件下，Ti2O3对Mn具有吸附作用，造成局部贫Mn区，增加了针状铁素体转变的动力，从而成为有效的形核质点。Al2O3和MnO的复合氧化物(MnO·Al2O3)提供针状铁素体有效的形核质点。MnS+V(C，N)的复合相能够形核针状铁素体。MnS、CaO颗粒物或MnS包裹的其他颗粒物具有诱导针状铁素体形成的作用。Al2O3·CuS具有诱导晶内铁素体形核能力。TiOx-MnS型复合颗粒物在高温下能够保持稳定，在多次热循环的再加热过程中没有溶解，为相变过程诱导晶内针状铁素体形核提供了条件。
具体的，本发明中构件所用金属可为本领域常见的用于电弧增材制造的打印金属，如碳素钢和低合金钢，具体的如采用电弧増材制造的Mn-Ni-Mo系材料，如08MnNiMo、08Ni1MnMo等；Cr-Mo系材料，如12Cr1MoV，12Cr2Mo，15CrMo等；碳素钢系列，如45钢、Q345，Q690等。但不限于此。本发明中所采用的冲击针可采用钛合金，示例性的其化学成分Al6％，V 4％，Ti 90％，但不限于此。
相应的，本发明还公开了上述的基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法在电弧增材制造、电弧焊接、堆焊构件制备中的应用。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明在电弧增材制造的同时进行超声冲击处理，其可诱导材料发生再结晶、细化晶粒、均匀化组织。也可以有利于针状铁素体形核的球状氧化物形成，促进晶内针状铁素体形成，进而提升材料综合力学性能，尤其是提升了韧性。同时使电弧増材金属冲击区域的材料发生了塑性变形，在小区域内具有锻造效果，弥合了打印金属内的空洞类缺陷。
附图说明
图1是本发明试验例1中构件制造过程、超声冲击处理工艺和试样成品示意图；
图2是本发明试验例1中构件的微观组织形貌图(×500)，其中，(a)为超声冲击处理区域，(b)为未经超声冲击处理区域；
图3是本发明试验例1中经超声冲击处理区域的组织图(电镜图)；
图4是本发明试验例1中各取样位置的冲剪屈服强度图；
图5是本发明试验例1中各取样位置的冲剪强度图；
图6是本发明试验例1中各取样位置的等效屈服比图；
图7是本发明试验例1中A4位置的断口形貌图；
图8是本发明试验例1中A4位置的EDS成分分析位置点图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述。
试验例1
为了证明本申请中的制造方法的改良效果，进行如下实验：
一、实验方法
采用电弧増材制备以W50×H50×L500(mm)样件，选用AWS A5.23F9A/P4-EF1-F1焊丝(直径为4.0mm)进行电弧增材制造。
电弧增材制造的工艺参数如下：
电流为600A，电压为32V，电弧移动速度为700mm/min，每道次熔覆的宽度为18mm，单层熔覆的厚度1.8mm。
基于样件形状尺寸(块状)，制定增材制造轨迹为层间往复，鉴于增材制造轨迹有往复，且为断续增材制造，故采用增材制造一层，冲击一层的方式制备试样。
具体的，采用钛合金冲击针(Ti6Al4V)对电弧増材制造高强钢试样进行局部超声冲击处理，冲击区域宽度约为20×60mm。冲击强度为1.33s/mm2。采用四根冲击针的冲击头进行，针直径为4mm，冲击时手持冲击枪并保持均匀冲击。为了比较分析超声冲击处理在厚度上的效果，整个试样厚度上分层处理3次，每次处理厚度约为10mm(3-4层熔覆厚度)。增材制造结束后，试样冷却过程中在表层三个区域进行冲击(控制温度为150～300℃)，以比较不同温度条件下超声氧化处理的效果。试样制造过程、超声冲击处理照片和试样成品如图1所示。
二、试验结果
(一)显微组织及化学成分
选择超声冲击处理区域和未处理区域的部位，观察两个区域的微观组织。光学显微镜下观察结果见图2所示。图中看出超声冲击处理区域内的晶粒比未冲击处理区域晶粒细化，且处理区域内的针状铁素体(acicular ferrite，AF)数量多于未处理区域。
采用扫描电镜观察超声冲击处理位置的区域的组织，见图3所示。图3中看出，该区域的主要组织为针状铁素体(AF)和马氏体-奥氏体岛(M/A岛)。针状铁素体的形核质点为球状颗粒物。对未经超声冲击处理的构件进行测试，其化学成分如表1所示。对球状颗粒物为多元素氧化物，其中O、Al元素含量较高，也含有少量的Ti、Si和Mn元素。将球状状氧化物成分与表1所示的未经超声处理构件成分比较可知，Al、Ti元素是从冲击针上转移到增材构件中的(焊丝和熔覆金属不含Al、Ti元素)，在超声冲击处理氧化效应作用下，生成了氧化物，并在熔池冶金反应中形成了有益于针状铁素体形核的球状氧化物。
表1 未经超声冲击处理区域的化学成分表(wt.％)
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo |
| 0.081 | 0.33 | 1.5 | 0.0052 | 0.0031 | 0.013 | 0.57 |
| Ni | Nb | V | Ti | Cu | B | Al |
| 1.36 | 0.0016 | 0.0049 | 0.0078 | 0.0064 | 0.0004 | 0.022 |
表2 图3中A点的球状颗粒物元素组成(wt.％)
| O | Al | Si | Ti | Mn | Fe |
| 40.36 | 9.91 | 2.48 | 0.33 | 1.78 | Bal. |
(二)超声冲击处理区域及未处理区域的力学性能和断口形貌
2.1力学性能分析
两个位置每个测试点测试三次并取平均值后画出的微冲剪测试冲剪屈服强度、冲剪强度和等效屈强比(冲剪屈服强度/冲剪强度)见图4～图6所示，A表示超声冲击处理区域，B表示未经处理区域。具体测试方法参见《超声冲击处理对高强钢多道焊接焊缝力学性能的影响研究》，石油管材与仪器，2020年12月)
由于A和B位置位于同一增材制造路径上，故两位置的工艺相同，所经历的热循环也是趋于一致的。A1、A2和A4位置为超声冲击处理位置，对应的B1，B2和B4点是未处理位置，图4、图5看出，A1，A2和A4位置的冲剪强度和冲剪屈服强度低于未处理位置B1，B2和B4点的强度，即超声冲击处理使得冲剪屈服强度降低。从图6看出，超声冲击处理位置的等效屈强比相对未处理区域降低，说明超声冲击处理具有增加增材试样塑性储备的效果，有利于保障该制造方法所得构件的过载安全性。
2.2断口形貌分析
针对A位置(超声冲击处理位置)冲剪试样的第4测试点的断口进行扫描电镜分析，如图7所示。
由图7可以看出，冲剪试样的断裂形式为韧性断裂，其断口的微观形貌主要为韧窝，断口中出现了不少较大尺寸的颗粒，其尺寸为0.2～0.5μm，这些小尺寸粒子影响增材试样的力学性能，是晶粒生长和形核的质点，影响试样晶粒尺寸和相组成。
选择断口上的特征点(如图8所示)，采用EDS测试各点的成分，见表3所示。
表3 微冲剪试样断口上各位置的元素含量(质量百分比wt％)
表3中看出，氧化物颗粒O含量较高，Al，Si，Ti，Mn的含量明显高于基材中的相应元素含量(表1所示母材中Ti，Al为微量元素)。说明超声冲击处理在试样中形成了主要以Ti，Al，Mn元素的氧化物颗粒，其中Ti，Al元素是从冲击针中转移而来。再次证明超声氧化形成的球状氧化物为晶内针状铁素体的形成提供了形核质点。
根据研究，采用钛合金冲击针(Ti6Al4V)超声冲击处理能在冲击区表面形成TiO，TiO2，FeO，Fe2O3以及Al2O3等混合氧化物。超声冲击处理形成的高熔点氧化物(如TiO2和Al2O3)在电弧和熔池冶金反应过程中不易烧损，会保留在熔池中并随熔池搅拌流动而分散分布，是试样中氧化物颗粒的主要来源。氧化物的Mn元素含量高于母材，因此氧化物周围的Mn元素浓度减低，即造成颗粒周围形成贫Mn区。这种氧化物颗粒周围形成贫Mn区域，在合适的热力学条件下促使针状铁素体形核生长提供了有利条件。
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，其特征在于，在电弧增材制造的同时采用的冲击针对已成形构件进行超声冲击处理；
所述冲击针包含以下元素中的一种或几种：Ti，Al，V，Mg，Ca，Mn，Si，Ni，Mo，Zr；超声冲击处理前构件表面的温度为150～300℃；
所述冲击针的硬度小于或等于构件金属的硬度，以使冲击针在超声冲击氧化效应下使冲击针元素在构件的分层表面形成氧化物，该氧化物在后续打印过程中与构件所用金属同时熔化，形成熔池，并与熔池中发生冶金反应，形成微小颗粒状氧化物，进而影响金属结晶方式和固态相变。
2.如权利要求1所述的基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，其特征在于，当构件打印过程中同一轨迹长度大于1m，且同一轨迹上没有重复路径时，电弧增材制造与超声冲击处理同步进行。
3.如权利要求1所述的基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，其特征在于，当构件打印过程中同一轨迹的长度＜1m，或当构件打印过程中路径重复时，先采用电弧增材制造完一层金属，然后采用超声冲击处理。
4.如权利要求2所述的基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，其特征在于，电弧增材制造的电弧与超声处理所用超声冲击枪之间的距离按照下式计算：
L＝T·v
其中，L为电熔头与超声冲击头之间的距离，T为构件分层冷却至150～300℃所需的时间，v为电熔头移动的速度。
5.如权利要求1所述的基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，其特征在于，超声冲击处理时，超声冲击枪的移动速度为0.5～3m/min，冲击强度为1～3s/mm2，冲击频率为100～200Hz，超声冲击枪电源的功率为300W～1500W，发生频率为15～35kHz。
6.如权利要求1所述的基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，其特征在于，所述构件所用金属中含有Mn，所述冲击针含有Ti、Al、V。
7.如权利要求1所述的基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法，其特征在于，所述冲击针的直径为3～4mm，长度为30～50mm，且呈尖头状。
8.如权利要求1～7任一项所述的基于超声冲击处理的电弧增材构件性能调控方法在电弧增材制造、电弧焊接、堆焊构件制备中的应用。
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