0.   序 言

枪钻主要以缸体、缸盖、曲轴和各种引擎零件等为加工对象，广泛应用于汽车、摩托车、模具、军工、航空航天等行业零件的深孔加工，尤其在军工中枪管孔的加工占据主要地位. 传统工艺是将钻头、钻杆和钻柄分别制造完成后采用高频感应钎焊将三部分连接成枪钻，耗时耗力^[1]. 其中不可避免的会出现未熔合、未焊透、焊缝强度降低等问题. 针对这些问题，文中提出了一种新的枪钻制造工艺——3D打印技术. 随着科学技术的发展，3D打印技术应运而生，因其高效、快捷、智能化、高质量、低成本等优势，迅速在生物医学、国防军工、航空航天、艺术品加工、海洋、天然气、汽车零部件等领域得到广泛应用^[2]. 文中提出的3D打印快速一体化制造枪钻的方法，是以电弧作为热源对低合金钻杆及中碳钢钻柄进行电弧3D打印，并采用增加过渡层等方法进一步改善钨钴硬质合金枪钻性能，使枪钻满足使用要求.

研究表明^[3-11]，电弧3D打印作为一种新型的增材制造技术，不仅能够满足复杂结构件快速打印成形的要求，同时极大地节约了生产制造成本. 枪钻毛坯的一体化打印是以金属丝为材料，电弧为热源，与激光3D打印技术制造的金属零件相比，在材料使用方面，其利用率水平较高，因此能够节省材料，在精细程度上有50%的提高，并且这种金属丝的成本价格低廉. 电弧增材制造相较于其它高能束(激光，电子束等)增材制造方法成本较低. 因此电弧3D打印技术在冶金、轮船、航天航空等领域都有很大的应用，并得到了很好的发展.

目前，金属材料的增材制造主要针对某种单一金属进行层层堆积，而进行异种金属材料3D打印连接的相关文献较少. 快速一体化枪钻3D打印成形的制造工艺需要对低合金/中碳钢两种3D打印金属的界面性能、组织强度、缺陷评定进行重点检测，其研究结果，将为一体化制造枪钻奠定基础.

采用SEM观测分析了3D打印复合材料枪钻毛坯低合金钢/中碳钢界面微观形貌和组织结构，采用EDS，XRD对枪钻毛坯低合金钢/中碳钢界面元素分布、相成分进行了测试与分析；测试分析了枪钻毛坯低合金钢/中碳钢界面缺陷、显微硬度、界面拉伸等性能；并对界面进行表征与测试，进一步分析复合材料枪钻毛坯界面的微观组织和性能. 研究结果表明，3D打印复合材料枪钻毛坯界面性能优于焊接枪钻界面，3D打印快速一体化制造枪钻的方法可行.

1.   枪钻毛坯3D打印工艺试验

1.1   试验材料

试验以Q345为基板，其尺寸为150 mm × 80 mm × 15 mm，首先将基板固定于搭建好的平台上. 钻杆毛坯采用低合金钢丝材H08Mn₂Si，ϕ1.2 mm，其化学成分见表1，过渡层金属采用Co金属粉末，钻柄毛坯采用ER35CrMo模具钢丝材，其直径为ϕ1.0 mm，其具体参数如表2所示.

表  1  低合金钢丝材的化学成分(质量分数，%)

Table  1.  Chemical composition of low alloy steel wire

C	Mn	Si	S	P	Cr	Fe
0.1	1.7 ~ 2.1	0.65 ~ 0.9	< 0.035	< 0.035	< 0.2	余量

下载: 导出CSV 

| 显示表格

表  2  中碳钢丝材的化学成分(质量分数，%)

Table  2.  Chemical composition of medium carbon steel wire

C	Mn	Si	Ni	Cu	Cr	Fe
0.42 ~ 0.50	0.50 ~ 0.80	0.17 ~ 0.37	< 0.030	< 0.25	< 0.25	余量

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   3D打印工艺

试验前先对Q345基板按照打磨—丙酮除油—碱洗—酸洗—水洗—烘干的步骤进行表面污渍和氧化物的清理，且确保Q345基板固定良好、无翘曲、且表面无氧化膜. 过渡层金属粉末用精度0.001 g的电子天平秤量，称取一定量的金属Co粉末，置于实验室小型球磨机中50 ℃搅拌烘干，盛放干燥的保鲜盒中以便试验中随时取用.

中碳钢钻柄毛坯部分试验时采用氩气作为保护气体，以ER35CrMo丝材为原料，其具体工艺参数：电压为20.6 V，电流为130 A，送丝速度为10 mm/s，打印成形尺寸为80 mm × 80 mm × 10 mm.

过渡层选用晶粒尺寸为100 nm ± 4 nm的Co粉末，烧结尺寸为80 mm × 80 mm × 0.01 mm，过渡层金属粉末的工艺参数如表3所示.

低合金钢钻杆毛坯部分的电弧3D打印试验采用二氧化碳作为保护气体，钻杆打印材料选用H08Mn₂Si丝材，其具体工艺参数：电压为22.6 V，电流为180 A，送丝速度为8 mm/s，打印出的毛坯尺寸为80 mm × 80 mm × 10 mm.

表  3  过渡层粉末的火焰烧结工艺参数

Table  3.  Technological parameters of flame sintering of transition layer powder

火焰类型	氧气压力F1/MPa	乙炔压力F2/MPa	铺粉角度θ/(°)	铺粉温度T1/℃	预热温度T2/℃	喷枪高度h/mm
中性焰	0.5 ~ 1.0	0.05 ~ 0.07	65 ~ 90	1526.85 ± 10	450 ~ 500	150 ~ 200

下载: 导出CSV 

| 显示表格

在3SG-MOTOMAN-UP6工业机器人上输入试验对比后的优化工艺参数，首先对中碳钢钻柄毛坯部分进行打印. 以Q345基板为平台搭建，编入打印程序并调节对应参数，打印从一条边界线开始，完成一条直线后以平行移动方式完成整个面的打印，最后完成ER35CrMo丝材的层层打印；清理熔渣，确保中碳钢钻柄毛坯表面清洁. 利用QH-2/h金属粉末氧乙炔火焰喷枪，450 ~ 500 ℃预热30 min，调节火焰喷枪参数(表3)，打开送粉阀门，以5 mm/s的铺粉速度，对枪钻钻头进行先横向再纵向的层层打印. 完成后关闭送粉阀门，将温度缓慢降至450 ~ 500 ℃，并以此温度保温30 min后，对表面进行清洁打磨. 最后对照中碳钢钻柄毛坯部分的打印过程进行低合金钢钻杆毛坯部分的打印. 打印后的钻杆与钻柄毛坯示意图如图1a，打印过程如图1b所示.

图  1  钻杆与钻柄3D打印过程

Figure  1.  3D printing process of drill pipe and drill shank. (a) drill pipe and drill shank; (b) 3D printing process by arc

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   试验结果及分析

2.1   枪钻毛坯界面微观形貌和组织结构观测

采用金相光学显微镜、S-4800场发射扫描电镜观察试样的组织形貌，对3D打印复合材料枪钻毛坯低合金钢/中碳钢界面微观形貌和组织结构进行分析比较.

图2为低合金/中碳钢界面显微组织. 由图2a，2c可知，钻杆低合金层主要为奥氏体和珠光体组织，其中含有少量的马氏体组织. a1微区中灰白色胞状体组织为γ-Fe相，且为低合金钢基体主要组织；a2区中沿胞状相晶界呈条纹状或团体状的灰黑色组织为珠光体，有亚共析钢组织特征，外部条状组织隔开为二次渗碳体, 是典型的共析钢组织；a3区中沿胞状相晶界呈断续网状或树枝状的暗灰色相为M₇C₃型碳化物，其点阵类型为斜方晶系，是一种硬度和熔点较高的化合物；a4区呈板条状或细棒状的浅白色组织为马氏体，其在低合金层组织中含量较少；a5呈圆形或椭圆形的黑色微区为点蚀坑. 低合金钢层组织分布均匀，整体无明显的裂纹、夹杂、气泡等缺陷，成形较好.

图  2  低合金钢/中碳钢界面显微组织

Figure  2.  Interface microstructure of low alloy steel / medium carbon steel. (a) microstructure of low alloy steel layer; (b) interlaminar transition structure of low alloy steel; (c) SEM morphology of low alloy steel; (d) SEM morphology of interface between low alloy steel and medium carbon steel; (e) microstructure of medium carbon steel layer; (f) SEM morphology of medium carbon steel layer

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图2b为低合金钢层间过渡组织，1区为上一面层的H08Mn2Si丝材打印区域，2区为上一面层与下一面层的过渡区，3区则是下一面层的H08Mn2Si丝材打印区域. 从图2b中可以看出上一面层的金属组织较为粗大且出现少量的晶胞异常长大，其原因可能是引弧时，瞬间高温引起的. 而下一面层的晶胞组织则明显细小许多，这种细化晶粒则更符合试验研究的预期.

图2d为低合金钢/中碳钢界面组织，图2d将界面分为6个区域，分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅳ区、Ⅴ区和Ⅵ区. Ⅰ区为低合金钢的基体主要组织，颜色稍深. Ⅱ区为低合金钢大角度晶界组织，整体偏白偏亮，形态与Ⅰ区差别较大且界限明显. Ⅲ区为低合金钢与Co粉过渡层的界面区形成块状或点状的灰黑色和白色组织，且紧密分布于界面处. Ⅳ区为灰白色区域，是过渡层的主要组织Co单质，其中块状的d2为铁基固溶体组织，其形成原因为引弧时，3000 ℃以上的高温，使熔融的铁基元素与钴基元素相互渗透，最终形成d2组织. d1为深入低合金钢层的Co层，d3为过渡腐蚀块. Ⅴ区为Co粉过渡层与中碳钢层的界面区，相对于Ⅲ区，Ⅴ区过渡则更为平缓，较少出现块状组织. Ⅵ区为中碳钢层，分布有不规则的多边形组织且边缘过渡圆滑，无尖锐的针形组织. 由图2e可见，中碳钢层成形良好，界面组织结构均匀分布.

2.2   枪钻毛坯界面相成分和元素分布测试与分析

对试件进行线扫描以研究主要元素的扩散情况，结合EDS能谱仪对试样微区成分扫描鉴定具体物相,并用XRD进行验证.

对图2d选取某一区域由下而上进行线扫描，具体扫描位置如图3a所示，对低合金钢钻杆/中碳钢钻柄界面元素进行定量分析，扫描结果如图3b所示. 从图中可见，Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅵ区主要元素为Fe元素，其中有一定量的Mn，Cr，Si元素，可能形成Cr₂₃C₆，Cr₅Fe₆Mn₈，Mn₅Si₂等金属化合物，沿垂直界面方向，Fe元素在过渡层两端的含量较高，且在Ⅰ区、Ⅵ区的含量相当. Ⅲ区、Ⅴ区为过渡区，主要元素为Fe，Co元素. Ⅰ区组织主要为γ-Fe相，由图3可知其组织和性能受到过渡层Co金属粉末的影响较小. Ⅱ区组织为(Mn，Fe，Cr)₇C₃型碳化物，其晶界附近应该有原位析出的M₃C相. 在Ⅲ区中Fe元素快速降低，而Co元素明显开始增加，据此可判断在Ⅲ区中会有(CoFe)固溶体组织生成. 此外Mn，Cr元素的降低，可能会促成CoMnSi的间隙固溶体的形成. Ⅳ区的主要组织为Co单质，其中可能有(CoFe)相、α-Fe生成. Ⅴ区与Ⅲ区的情况类似，但由于中碳钢中含有较多的C元素，据此可以推断Ⅴ区中可能会形成新的碳化物. Ⅵ区为中碳钢区，其主要存在相为α-Fe相以及珠光体组织. 对图2d中6个区特定点进行点扫描，其结果如表4所示.

图  3  低合金钢钻杆/中碳钢钻柄界面EDS线扫描

Figure  3.  EDS line scanning of the interface between low alloy steel drill pipe and medium carbon steel drill shank. (a) SEM morphology of interface between low alloy steel and medium carbon steel; (b) EDS of interface between low alloy steel and medium carbon steel

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  4  界面组织各点能谱分析结果(原子分数, %)

Table  4.  Results of EDS of spots

位置	Mn	Fe	Co	Si	Cr
Ⅰ	2.12	91.14	3.36	2.36	0.17
Ⅱ	1.23	63.69	1.40	0.75	0.01
Ⅲ	1.81	41.65	55.87	0.75	0.01
Ⅳ	0.43	1.62	85.62	1.22	1.11
Ⅴ	0.34	56.87	40.39	1.38	1.02
Ⅵ	0.44	84.12	8.46	1.08	0.93

下载: 导出CSV 

| 显示表格

由表4可得，Ⅰ区主要Fe，Mn元素，可能的相组成为γ-Fe，其致密度高、塑性好，符合枪钻钻杆部分的性能要求. Ⅱ区为初生(Fe，Cr)₇C₃相(M₇C₃型碳化物)，是一种硬质相，显微硬度的平均值为1170 HV. Ⅲ区位于低合金钢与金属Co过渡层的界面处，Fe元素含量降低，Co元素增加，其中还存在一定量的Mn元素、Si元素，该区可能为CoMnSi，(CoFe). Ⅳ区主要元素为Co元素的过渡层组织，可以降低钢的淬透性、强化钢的基体，显著提高合金的高温抗拉强度和高温硬度. Ⅴ区为金属Co过渡层与中碳钢层的界面处，其组织与Ⅲ区有很大的相似性，可能有CoMnSi，(CoFe)，Fe₃C等相生成. Ⅵ区属于中碳钢层，结合EDS线扫描元素分析可知，主要存在组织为α-Fe，Fe₃C，且组织分布均匀无明显缺陷.

图2e，2f表明，中碳钢层组织为铁素体和珠光体，结合EDS分析，e1和f4为中碳钢层的珠光体组织，韧性较高，且强度、硬度适中. e2和f3为中碳钢层的铁素体和珠光体组织，是中碳钢层的主要组织，且分布均匀，具有良好的塑性和韧性，强度和硬度较低，但符合枪钻钻柄的性能要求. e3为偶然出现的过渡腐蚀区，对中碳钢层的整体组织和性能影响不大. f1为偶然出现的杂质，不会对中碳钢层整体组织和性能造成影响. f2为渗碳体组织，均匀分布于铁素体与珠光体的晶界处.

图4为3D打印枪钻复合材料界面的XRD衍射图谱，其分析结果与能谱基本一致. 在低合金中除Fe，Cr₇C₃，Cr₅Fe₆Mn₈，Mn₅Si₂等化合物外，还有少量Cr₂₃C₆；中碳钢层主要由α-Fe，Fe3C相组成，存在CoMnSi，Mn_0.46Si_0.48Co_0.28等固溶体组织，此外有碳化物SiC存在，是一种耐磨、耐高温化合物.

图  4  枪钻毛坯界面能谱图

Figure  4.  Interface energy spectrum of gun drill blank. (a) XRD of interface between transition layer and medium carbon steel; (b) XRD of interface between transition layer and low alloy steel

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   枪钻毛坯界面性能测试与分析

采用维氏显微硬度计对低合金钢部分沿打印厚度方向测定其界面的显微硬度分布，加载300 N，保持10 s. 分别得出中碳钢层、过渡层、低合金层金属的硬度值，并分析其作用机理，以满足枪钻的工程应用要求.

图5为枪钻毛坯低合金钢/中碳钢界面横截面显微硬度分布. 从图中可知，复合材料界面显微硬度分布均匀，硬度波动较小. 过渡层Co金属硬度在中碳钢与合金钢之间，且没有出现硬度过高或过低. 中碳钢层的平均硬度为387.7 HV，相对传统工艺硬度提高了19.7%. 合金钢层平均硬度为699.3 HV，相对传统工艺硬度提高了12.1%.

图  5  整个复合材料的横截面显微硬度分布

Figure  5.  Microhardness distribution of the whole composite cross section

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4   枪钻毛坯复合材料拉伸

依据GB /T228. 1—2010 标准，将枪钻毛坯低合金钢/中碳钢试样线切割加工为标准拉伸试样，分别标记为试样A、试样B和试样C，加载速率为1 mm/min.

标准拉伸试验后得到如图6所示的载荷—位移曲线，整理试验结果可得试样A，B，C的抗拉强度分别为742.61，730.51和755.87 MPa，屈服强度分别为645.55，637.70和659.62 MPa，弹性模量分别为101.85，98.93和94.81 GPa，求平均值得到抗拉强度为742.99 MPa，屈服强度为647.62 MPa，弹性模量为98.53 GPa. 相对传统工艺，电弧3D打印工艺所得复合材料的抗拉强度提升了11.9%.

图  6  低合金钢/中碳钢拉伸试样的载荷—位移曲线

Figure  6.  Load displacement curve of low alloy steel/medium carbon steel dissimilar material tensile specimen

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   结论

(1) 3D打印复合材料枪钻毛坯界面性能优于焊接枪钻界面.过渡层金属Co粉末可以避免低合金层与中碳钢层界面脆性，进而提高枪钻界面韧性.

(2)通过电弧3D打印技术制备的低合金层奥氏体组织、中碳钢层的铁素体组织有利于提高枪钻的力学性能.中碳钢层平均硬度提高了19.7%，合金钢层平均硬度提高了12.1%.复合材料枪钻毛坯的抗拉强度提升了11.9%.3D打印快速一体化制造枪钻的方法可行.