CMT 電弧增材制造 2319 鋁合金焊絲組織及力學(xué)性能-亞洲 歐美 校園 春色 小說(shuō)|日本一本道在線一二區(qū)380k高清觀看

摘要

ER2319 鋁銅合金焊絲是航空航天領(lǐng)域配套 2219 母材焊接與電弧熔絲增材制造的專用填充材料。CMT冷金屬過(guò)渡工藝熱輸入低、熔滴過(guò)渡無(wú)短路飛濺，非常適合 ER2319 這類熱裂紋敏感的鋁銅合金增材成型。本文以余光牌 ER2319鋁合金焊絲為原料，采用 CMT 電弧增材制造工藝制備薄壁沉積試樣，分析沉積態(tài)與 T6固溶時(shí)效熱處理態(tài)的微觀組織特征、析出相演化規(guī)律、缺陷特征，測(cè)試不同取樣方向、不同沉積高度位置的力學(xué)性能，闡明 CMT工藝下組織形成機(jī)理、各向異性成因以及強(qiáng)化機(jī)制，為航空航天貯箱支座、承力構(gòu)件 CMT電弧增材工藝開(kāi)發(fā)提供試驗(yàn)依據(jù)。關(guān)鍵詞：CMT；電弧增材制造；ER2319鋁合金；微觀組織；析出相；力學(xué)性能；各向異性

引言

2319 鋁合金屬于 Al-Cu-Mn-Ti-Zr 系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.8%~6.8%，凝固溫度區(qū)間寬，熱裂紋敏感性高，常規(guī) MIG電弧增材熱輸入偏大，容易引發(fā)晶粒粗化、晶界低熔共晶開(kāi)裂、氣孔聚集等問(wèn)題。CMT冷金屬過(guò)渡依靠數(shù)字化送絲與電弧同步控制，熔滴在短路狀態(tài)下平穩(wěn)脫離，熱輸入顯著低于普通脈沖MIG，能夠有效抑制鋁銅合金增材過(guò)程的熱裂紋，降低氣孔傾向，是 2319 鋁合金電弧增材的優(yōu)選熱源模式。

焊絲本身品質(zhì)是組織與性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)。余光牌 ER2319 焊絲采用高純?cè)险婵杖蹮?，精?zhǔn)調(diào)控 Zr、Ti細(xì)化元素，嚴(yán)控氫、氧、鐵硅雜質(zhì)，絲材外徑精度高、表面氧化膜薄，長(zhǎng)時(shí)間 CMT連續(xù)打印送絲穩(wěn)定，減少因絲材質(zhì)量波動(dòng)引入的氣孔、夾雜缺陷，保證試樣組織數(shù)據(jù)可重復(fù)對(duì)比。CMT電弧增材屬于逐層堆積、反復(fù)熱循環(huán)的非平衡凝固過(guò)程，沉積組織和軋制鍛造 2219母材存在明顯差異，晶粒形態(tài)、第二相分布、缺陷沿沉積高度方向呈現(xiàn)梯度變化，力學(xué)性能存在方向差異，需要區(qū)分沉積態(tài)與熱處理態(tài)開(kāi)展系統(tǒng)研究。

 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料選用余光牌 ER2319 鋁合金焊絲，絲徑 Φ1.2 mm，基板選用 2219-T87鋁合金板材，保護(hù)氣體為高純氬氣。采用 CMT焊機(jī)搭建電弧增材系統(tǒng)，固定送絲速度、掃描速度、噴嘴高度、保護(hù)氣流量，采用單向掃描策略制備單道薄壁墻試樣。成型后沿沉積高度方向，在試樣底部、中部、頂部位置分別切取金相試樣與拉伸試樣，同時(shí)設(shè)置橫向（垂直沉積方向）、縱向（沿沉積高度方向）兩組取樣方向。

金相試樣經(jīng)過(guò)打磨、拋光、Keller 試劑腐蝕，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡觀察晶粒形貌、晶界共晶組織、氣孔與第二相分布；采用TEM 觀察納米析出相；wanneng試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展室溫拉伸，同步記錄斷口形貌。熱處理選用 T6制度：535~540℃固溶保溫，水淬，175℃人工時(shí)效。

2 微觀組織特征

2.1 沉積態(tài)組織

CMT 增材沉積態(tài)組織具有典型層帶交替特征，分為層內(nèi)熔合區(qū)與層間重熔熱影響帶。層內(nèi)熔池快速凝固，以近等軸 α-Al晶粒為主；層間區(qū)域受后一道熔池二次加熱，冷卻速率變慢，形成部分粗大柱狀晶，柱狀晶大致沿散熱方向生長(zhǎng)，構(gòu)成 “等軸晶帶 + 粗晶帶”周期性交替的條帶組織，條帶間距和單層熔道高度保持一致。

沉積態(tài)下大量 Al?Cu 共晶 θ 相沿晶界連續(xù)網(wǎng)狀分布，晶內(nèi)存在少量塊狀 θ相，沒(méi)有大量納米強(qiáng)化析出相，強(qiáng)化效果弱。Ti、Zr 復(fù)合細(xì)化劑在凝固過(guò)程形成 Al?Zr、Al?Ti粒子，作為異質(zhì)形核核心，抑制晶粒過(guò)度長(zhǎng)大，也是 ER2319 焊絲配方專門優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)。

缺陷方面，主要缺陷為氫氣孔，氣孔大多集中在層間界面位置。CMT 低熱輸入相比普通 MIG可以明顯降低氣孔數(shù)量，但如果焊絲表面氧化膜超標(biāo)、保護(hù)氣純度不足、層間水汽污染，依舊會(huì)形成鏈狀層間氣孔。CMT模式下熔滴過(guò)渡平穩(wěn)，熔池?cái)噭?dòng)柔和，合理工藝區(qū)間內(nèi)熱裂紋可以得到明顯抑制。

沿沉積高度存在組織梯度：試樣底部基板散熱快，晶粒整體偏細(xì)；中部反復(fù)熱循環(huán)累積，晶粒粗化趨勢(shì)明顯；頂部Zui后幾層熱累積少，冷卻速度快，晶粒相對(duì)細(xì)小，氣孔含量更低，這也是頂部力學(xué)性能通常優(yōu)于中下部的核心原因PMC。

2.2 T6 熱處理后組織演變

固溶處理過(guò)程中，晶界網(wǎng)狀 Al?Cu 共晶相逐步溶解進(jìn)入鋁基體，粗大脆性共晶網(wǎng)熔斷、球化，基體中 Cu元素固溶度大幅提升；淬火保留過(guò)飽和固溶體；時(shí)效階段析出高密度針狀 θ″相、少量θ′相，θ″是主要強(qiáng)化相，尺寸納米級(jí)，彌散分布在晶粒內(nèi)部，大幅阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化。

熱處理之后原始層狀條帶特征弱化，晶粒尺寸變化幅度減小，但原始?xì)饪?、層間孔洞無(wú)法通過(guò)熱處理消除，依舊是裂紋優(yōu)先萌生位置。如果固溶溫度超過(guò)550℃，晶界會(huì)出現(xiàn)過(guò)燒三角組織，晶粒邊界熔化，塑性與韌性急劇下降，因此 2319 的固溶窗口狹窄，需要嚴(yán)格控溫。

3 力學(xué)性能

3.1 沉積態(tài)力學(xué)性能

沉積態(tài)無(wú)析出強(qiáng)化，強(qiáng)度偏低，塑性尚可。文獻(xiàn)典型區(qū)間：抗拉強(qiáng)度 230~260 MPa，屈服強(qiáng)度 130~160 MPa，延伸率10%~13%。橫向試樣強(qiáng)度略高于縱向試樣，存在明顯各向異性。原因是層間界面、層間氣孔沿著水平方向分布，縱向拉伸時(shí)載荷垂直層界面，更容易沿層間缺陷開(kāi)裂；橫向拉伸時(shí)裂紋擴(kuò)展路徑受晶界阻擋更多，承載能力更高。

不同位置性能梯度：底部、頂部性能優(yōu)于中部，中部長(zhǎng)期承受持續(xù)熱循環(huán)，晶粒粗化、層間氣孔聚集，力學(xué)指標(biāo)Zui低。沉積態(tài)斷口以韌窩為主，屬于微孔聚集型韌性斷裂，但在氣孔密集位置，韌窩尺寸不均，局部呈現(xiàn)準(zhǔn)解理特征。

3.2 T6 熱處理態(tài)力學(xué)性能

T6 熱處理后析出強(qiáng)化效果顯著，強(qiáng)度大幅提升，塑性有所下降。在適配 CMT-PADV 脈沖進(jìn)階 CMT工藝、優(yōu)化熱處理制度的條件下，抗拉強(qiáng)度可達(dá) 440~490 MPa，屈服強(qiáng)度 320~385 MPa，延伸率7%~17%，工藝匹配度對(duì)延伸率影響極大，短時(shí)效強(qiáng)度高但塑性差，長(zhǎng)時(shí)間合理保溫可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌性平衡。

熱處理后各向異性依然存在，但差值縮小。一方面層界面缺陷沒(méi)有消失，另一方面納米析出相均勻化，弱化了晶粒條帶帶來(lái)的性能差異。當(dāng)孔隙率控制在極低水平時(shí)，橫縱向強(qiáng)度差值可以控制在30 MPa 以內(nèi)。斷裂源主要集中在晶界殘留粗大 Al?Cu相以及殘存氣孔，裂紋沿著晶界脆性相擴(kuò)展；氣孔會(huì)加速裂紋連通，是限制構(gòu)件性能上限、造成數(shù)據(jù)離散的主要因素。

3.3 硬度變化規(guī)律

沉積態(tài)硬度整體偏低，分布波動(dòng)較大，粗晶帶硬度偏低，細(xì)晶等軸帶硬度偏高；T6時(shí)效后硬度顯著上升，整體分布更加均勻，晶界網(wǎng)狀相消失，納米析出相對(duì)硬度貢獻(xiàn)占主導(dǎo)。

4 工藝與焊絲對(duì)組織性能的影響要點(diǎn)

1. CMT 模式選擇：基礎(chǔ) CMT、CMT-P、CMT-PADV 對(duì)比，CMT-PADV脈沖進(jìn)階模式電弧更穩(wěn)定，熔池?zé)彷斎敕峙涓侠?，晶粒更均勻，孔隙率Zui低，力學(xué)離散性Zui小，是 2319 增材優(yōu)先選用模式PMC。

2. 焊絲品質(zhì)影響：ER2319焊絲表面油污、厚氧化膜會(huì)持續(xù)向熔池引入氫源，直接造成層間氣孔增多；成分波動(dòng)、細(xì)化元素不足會(huì)導(dǎo)致晶粒粗大、熱裂紋風(fēng)險(xiǎn)回升，余光牌ER2319 焊絲穩(wěn)定的成分與表面質(zhì)量，是獲得可重復(fù)組織性能的前提。

3. 層間溫度：層間溫度過(guò)高，熱累積嚴(yán)重，晶粒持續(xù)粗化，殘余應(yīng)力上升；層間溫度過(guò)低，熔池潤(rùn)濕性變差，層間熔合不足，容易產(chǎn)生未熔合缺陷。

4. 熱處理風(fēng)險(xiǎn)：2319 固溶區(qū)間窄，極易過(guò)燒，航空航天構(gòu)件熱處理制度必須先做試板驗(yàn)證，不可直接照搬 2219板材熱處理參數(shù)。

5 結(jié)論

1. CMT 電弧增材 ER2319 鋁合金沉積態(tài)組織為等軸晶與柱狀晶交替層帶狀結(jié)構(gòu)，晶界分布網(wǎng)狀 Al?Cu共晶相，無(wú)大量納米強(qiáng)化相，強(qiáng)度低，存在沿沉積高度的組織梯度與力學(xué)各向異性，層間氣孔是Zui主要缺陷。

2. T6 固溶時(shí)效熱處理使 Cu 溶入基體，時(shí)效析出大量針狀 θ″強(qiáng)化相，強(qiáng)度大幅提升，是 2319增材件實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)服役的必要工序；但氣孔無(wú)法通過(guò)熱處理消除，是制約性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵短板。

3. CMT 低熱輸入特性可以有效緩解 2319 鋁銅合金熱裂紋敏感性，CMT-PADV 模式成型質(zhì)量Zui優(yōu)；余光牌 ER2319焊絲成分穩(wěn)定、送絲平順，有利于降低缺陷，減少試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散，適配航空航天 CMT 電弧增材承力構(gòu)件研制。

4. 力學(xué)性能存在位置效應(yīng)與方向效應(yīng)，橫向性能優(yōu)于縱向，試樣頂部性能優(yōu)于中部，構(gòu)件設(shè)計(jì)與取樣檢測(cè)時(shí)需要充分考慮各向異性特征。

結(jié)語(yǔ)

CMT 電弧增材制造 ER2319 鋁合金，依托低飛濺、低熱輸入的工藝優(yōu)勢(shì)，為航天 2219配套鋁銅構(gòu)件近凈成型提供可行路徑。組織控制、氣孔抑制、熱處理制度優(yōu)化三者協(xié)同，才能充分釋放 2319合金的強(qiáng)韌潛力。航空航天項(xiàng)目想要穩(wěn)定可控的 CMT 增材試驗(yàn)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)，需要選用品質(zhì)穩(wěn)定的余光牌 ER2319 焊絲，搭配規(guī)范的CMT 工藝與配套熱處理方案，降低缺陷與性能離散風(fēng)險(xiǎn)。