文摘

摘要ER50-6钢铁是捏造的线弧加法制造(WAAM)与一个w GTAW系统。的微观结构、力学性能和WAAM ER50-6钢的腐蚀行为进行了研究。结果表明,熔化极气体保护焊-电流增加,从底部到顶部的样本,组织细铁素体、粒状珠光体,铁素体晶粒颗粒细颗粒在颗粒边界,分别和柱状铁素体。垂直方向的平均硬度样品1 #和2 #是146年和153年的高压,分别。2 #样品的硬度增加,由于晶粒的细化。示例中的孔隙增加旁路电流增加。旁路电流越高也有恶化对ER50-6钢的腐蚀行为的影响。

1。介绍

线弧加法制造(WAAM)成为新工业时代的核心。它有许多优点,如高沉积速率(1)、设备成本低、材料利用率高、环境友好。这是一个多才多艺的和具有成本效益的方法制造复杂的零件和大型组件(2]。它包括三种类型的过程,即金属极惰性气体保护电弧焊(GMAW)、钨电极惰性气体保护焊(GTAW)和等离子焊接(爪子)。在这些过程中,电弧作为热源,电线被用作添加剂制造材料。过程状技术相比,它具有更高的效率和更低的生产成本。众所周知,有许多关于WAAM研究报告,如钢铁(3- - - - - -5),Ti合金(6,钢铁和铝镁合金(7,8]。加法制造的一些缺陷,如不受控制的粒度、拉伸残余应力,裂纹和分层9),很容易产生。为了扩大采用WAAM在不同行业,一些科学家研究如何消除缺陷。需等。10)结合高压滚动WAAM和报道,残余应力峰值降低,精致的微观结构。玛蒂娜et al。11)评估疲劳裂纹扩展行为WAAM Ti-6Al-4V使用数值模拟方法。事实上,WAAM过程中,各种缺陷的主要原因是由于过度的热输入。因此,如何保持高沉积速率,避免过多的热量输入,维持电弧稳定已经成为一个紧迫的问题线弧加法制造的过程中。为了减少热量输入,研究人员利用加法制造不同的过程。李等人。12]使用冷金属过渡(CMT)制造更高的预热和薄层的线来减少热量输入。提出的基于强制限制WAAM (CC-WAAM)刘et al。13),罗德里格斯et al。14)提出了一种新的过程叫ultracold-wire和弧加法制造(UC-WAAM)可以减少过程的温度,它可以创建一个中空的部分没有任何支撑结构。然而,它是不容易控制液滴在这些过程过渡。

显然,除了减少热输入,热输入应该独立控制。众所周知,金属极惰性气体保护电弧焊(GMAW)沉积速率高。钨电极惰性气体保护焊(GTAW)热输入低,稳定,操作方便。熔化极气体保护焊-的优点和GTAW应该充分的利用。张先生和他的同事们(15)提出了一个创新arcing-wire气体钨弧焊(w GTAW)。w的原理图GTAW过程如图1。在w GTAW系统,钨和喂养线,内弧是主要的手工钨极氩弧焊工艺。在他们的研究论文,详细描述的过程以减少热输入衬底。喂线可以直接和迅速融化在高速度。与传统的熔化极气体保护焊-和GTAW相比,w GTAW过程充分利用熔化极气体保护焊-和GTAW的优势达到一个高的沉积速率,它有一个稳定弧操作(15]。因此,这个过程是很有意义的尝试加法制造。ER50-6线广泛用于普通碳钢焊接,为汽车制造碳素结构钢和低合金和高强度船体结构钢和压力容器。这项工作试图使用这个过程来制造ER50-6钢薄壁组织,准备零件的机械性能和耐腐蚀性能进行了分析。本研究提供研究基础的线弧加法制造大型组件。


图1
w的原理图GTAW过程(15]。

2。实验的细节

Q235衬底。ER50-6焊丝用于加法制造样品。表1显示了Q235钢的化学成分和ER50-6焊丝。为了消除表面的铁锈和石油Q235,一个角磨机和丙酮。

表1
Q235钢的化学成分和ER50-6线(wt. %)。

根据刘等人的研究(13),图2的线路图显示w GTAW加法制造系统。一个特殊wsm - 315 c氩弧焊机(Aotai、山东、中国)和一般熔化极气体保护焊- - 500 p气体保护焊机(Aotai、山东、中国)用于构建系统的w GTAW。钨电极连接到负GTAW GMAW焊接机器的力量。GTAW的正电极和熔化极气体保护焊-衬底和喂养电线连接,分别。


图2
的线路图w GTAW加法制造系统。

加法制造的过程中,堆焊层的增加,焊接剩余高度逐渐增加。为了控制衬底的焊枪高度的一致性,一个高精度升降平台被用来调整高度,调整幅度是0-60毫米。

如图3,距离 在衬底和钨电极头是9毫米。喂线位于直接低于钨电极是7.5毫米远离添加剂生产层。水平距离标志着 钨电极和喂线是2毫米,GTAW电极之间的角度和水平电极是35°。99.99%的纯氩保护气体。进行单次的多层堆焊Q234衬底,以及每层的时间间隔10分钟。每一层的沉积方向是相同的。基于许多实验中,两个很好的样品(由两个不同的进程)选择的微观结构和性能的比较分析。表2显示了ER50-6的加法制造的工艺参数。


图3
焊枪的位置。
表2
加法制造的主要工艺参数。

图4显示了加法制造的宏观形态ER50-6。横断面样本通过电火花线切割的加法制造ER50-6,和样品的显微组织观察和性能测试准备。首先,三个样品磨200 #,600 #,1000 #砂纸和2.5网状抛光膏抛光。准备样品显微组织观察与4%硝酸酒精腐蚀。


图4
加法制造的宏观形态ER50-6。

两个样品的微观结构观察使用尼康Epiphot300光学显微镜(OM)(尼康、日本)和一个与场发射扫描电子显微镜(FESEM su - 70、日立、日本)。干热河谷- 1000模型的硬度计(上海Shangcai Testermachine有限公司,有限公司,中国)被用来测试样品的维氏硬度。测试负载是10 N,最后一次是10。CSM NHT2 Nanoindenter (Anton洼地)是用来测量样品的弹性性质1 #和2 # 10 mN的最大负载和20 mN·分钟1装卸率。深度恢复率( )被用来描述样本的弹性行为。的价值 是定义如下16,17]:

在这 的最大深度渗透和 卸载后残余深度。样品的弹性模量(EIT)可以直接获得的测试。弹性模量的值更大,这意味着材料不容易发生变形,也就是说,它更脆弱。

tribocorrosion测试进行在3.5%氯化钠溶液25°C使用MSR-2T摩擦计(兰州化学物理研究所,中国科学院兰州,中国)。在目前的工作, 测试样品的表面积与电解液接触的整个tribocorrosion测试。tribocorrosion测试1毫米/秒的速度进行的正常负载20 N。测试试样的电化学行为进行了使用引用600 +电化学工作站(Gamry仪器,USA Inc .)和三电极电化学电池,以饱和甘汞电极作为参比电极(SCE)。Potentiodynamic极化测量摩擦测试了10分钟后,扫描以恒定速率−1 mV / s的400 mV腐蚀电位和终止时的当前值10马了。

3所示。结果与讨论

3.1。宏观形貌观察

测试了样品的形貌图所示5。从图5,熔池的深度和高度增加与熔化极气体保护焊-电流的增加,表明融化衬底的数量增加(18]。它表明,弧沉积添加剂是有效地提高了熔化极气体保护焊-电流增加。另一方面,基板变形与熔化极气体保护焊-电流的增加更严重。在接下来的工作、金相分析和扫描电镜观察实验进行1 #和2 #样品。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
OM加法制造的样品(a) 1 #和2 # (b)。

根据沉积方向,样品被分成三个区域,前部分,中间部分,和底部,融合区,如图5。通过光学显微镜和扫描电镜研究分析了三个区域下面的段落。

3.2。光学显微镜(OM)分析

ER50-6钢的显微组织转变可分为三种类型:铁素体相变,珠光体相变和贝氏体相变。图6显示了OM图像不同位置的1 #和2 #样品。是看到有更多地带珠光体在图6(一)比图6 (d)。因为旁路电流 样品2 #是比样品1 #,更多的热量输入同质化成分,以便地带珠光体并不明显,如图6 (d)。的矩阵图6 (d)由细铁素体、粒状珠光体组成。从数据6 (b)和6 (e)在1 #和2 #样品,分别可以看出铁氧体颗粒晶粒,尤其是在晶界,谷物在图6 (e)小于图吗6 (b)。加法制造期间,连续热循环导致再结晶颗粒。这些颗粒可以在细晶强化中发挥作用。在示例1 #,从图6 (c)可以看出,柱状铁素体位于晶界和针状铁素体和珠光体位于谷物。在示例2 #,从图6 (f),这表明有窄的柱状铁素体比样品1 #。这是两个样品的不同微观结构会导致不同的力学性能,这是快速凝固的结果(19]。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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(e)
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(f)
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图6
OM不同位置的1 #和2 #样品。的图片(a, d), (b, e)中间,和(c、f)部分的1 #和2 #样品,分别。
3.3。扫描电镜分析

1 #和2 #样品的扫描电镜图像如图所示7。数据7(一)和7 (d),7 (b)和7 (e),7 (c)和7 (f)是底部的图片,中间的1 #和2 #样品,分别。从数据看7(一)和7 (d)有规律的圆孔。毛孔的缺陷通常是由加法制造组件组装中发现的(20.]。它主要是由于蒸发的金属元素添加剂生产过程的不稳定造成的熔池增加旁路电流 。毛孔在示例2 #的数量明显高于样品1 #。从图7 (b)可以看到,珠光体的层状结构。然而,在图7 (e)这个结构不能被看到,因为珠光体成为小于样品1 #。2 #样品的顶部,从数字7 (c)和7 (f)可以看出,毛孔比那些在示例1 #。这些孔的数量和体积的增加主要是由于电流密度的增加。

(一)
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(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
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图7
(a - c)的扫描电镜图像样本1 #和(d-f)样品2 #。的图片(a, d), (b, e)中间,和(c、f)部分的1 #和2 #样品,分别。
3.4。机械试验
3.4.1。硬度试验

图8介绍了显微硬度分布(高压)1 #和2 #样品的横截面,如图5。图8(一个)显示1 #和2 #样品的硬度曲线从底部到顶部的中心轴。竖直方向与沉积方向是一致的。两个样品的硬度是相似在中间底部,而硬度曲线的顶部样品不同。图8 (b)显示的平均硬度不同地区样本。样品的平均硬度1 #和2 #样品,在底部,在中间,在顶部,153年和156年的高压,145年和150年的高压,高压140和154高压,分别。可以看出,底部和中部的平均硬度值的两个样品几乎没有区别。他们的区别主要是反映在平均硬度样品的顶部。垂直方向的平均硬度样品1 #和2 #是146年和153年的高压,分别。2 #样品的硬度高于样品1 #。结合分析结果图6,可以得出的结论是,最低的硬度的顶部样品1 #大柱状铁素体的存在。中间晶粒细化和2 #样品的顶部的原因2 #样品的硬度高于样品1 #。与在图分析结果是一致的6。

(一)
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(b)
(b)
图8
1 #和2 #样品的硬度曲线。(水平距离的中心轴熔合线的样品)。
3.4.2。Nanoindentation表征

nanoindentation曲线不同部分的1 #和2 #样品图所示9。最大深度( )的缩进10 mN负载的1 #和2 #样品是358.86和331.16 nm,分别。参数的值,包括最大深度( ),残余深度( ),深度恢复率( ),和弹性模量(EIT)从图中提取9表中给出3。 样品1 #底部、中部和顶部高于样品2 #。它表明,样品1 #有较高的抗塑性变形比样品2 #。


图9
荷载位移曲线( - - - - - - 的不同部分)1 #和2 #样品。
表3
缩进的荷载位移曲线的参数在图8。

腐蚀电位( )测试样本的测量静态和摩擦条件下在3.5%氯化钠溶液在图所示10。在测量期间,静态和摩擦条件定期切换。在第一个静态段30分钟, 两个样本的不断减少。当摩擦开始, 大幅转移到一个更积极的潜力,其次是缓慢转向消极的方向。一旦停止摩擦, 突然下降。在第二个静态浸渍期和摩擦期,响应的 是相同的第一个测试周期。无论是在静态或摩擦条件下, 样品1 #总是高于样品2 #。摩擦的搅拌作用可以加速氧的扩散,导致他们主动解散的增加(18,21- - - - - -23]。


图10
与时间测试样本在静态和摩擦条件下在3.5%氯化钠溶液。

图11显示了两个极化曲线测试样本在摩擦条件下在3.5%氯化钠溶液。可以看到从图11,两种合金表现出活跃的腐蚀行为。两个样品的电化学反应是相似的。腐蚀电位( )和腐蚀电流密度( )从图11表中列出4。见表4,2 #样品表现出相对较高的腐蚀电流密度。这表明高旁路电流加速腐蚀速率的标本在3.5%氯化钠溶液。原因之一是,样品比样品1 #,2 #有更多的缺陷,另一个是样品2 #的细化提供了更多的渠道腐蚀(24- - - - - -28]。


图11
Potentiodynamic极化曲线的两个测试样本在摩擦条件下在3.5%氯化钠溶液。
表4
电化学参数提取potentiodynamic极化曲线(图11)。

4所示。结论

可以得出的结论如下:(1)ER50-6钢被钢丝制作+弧加法制造基于w GTAW系统。弧添加剂可以显著提高沉积速率的增加旁路电流通过横断面分析添加剂样品的光学显微镜(2)中间的两个样品的微观结构是铁氧体颗粒晶粒。熔化极气体保护焊-电流增加,从底部到顶部的样本,组织细铁素体、粒状珠光体,铁素体晶粒颗粒细颗粒在颗粒边界,分别和柱状铁素体。垂直方向的平均硬度样品1 #和2 #是146年和153年的高压,分别。样品的硬度增加,由于颗粒的细化(3)更高的绕过当前恶化的影响ER50-6钢的腐蚀行为,因为它可以产生更多的缺陷,使晶粒细化,提供了更多的渠道腐蚀

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。