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低碳贝氏体钢是一种高强度、高韧性、多用途的新型钢种，由于其力学性能优秀、成本低，广泛应用于国内各类工程机械、煤矿液压支架、舟桥，桥梁、海洋平台等焊接结构钢领域[1-4].
近年来，随着各领域对金属材料性能要求和复杂结构需求的提高，利用增材制造技术直接成形性能优良的金属复杂构件成为当下最为前沿和最具应用前景的研究方向之一[5-7]. Jiang等人[8]采用了激光沉积技术制备了无碳化物贝氏体钢构件，对构件进行了微观组织观察和性能分析. 结果表明，未热处理状态下主要组织为珠光体和奥氏体，抗拉强度和断后伸长率分别能达到1 051 MPa和13.03%. 符友恒等人[9]采用熔化极电弧增材出贝氏体钢样件，并进行热处理. 结果表明，未热处理增材样件晶粒粗大，塑性和韧性均差，存在各向异性，热处理后晶粒细小，塑、韧性均有提升. Xie等人[10]对低碳贝氏体钢进行了激光-MAG复合焊接. 结果表明，焊缝区域微观结构主要是板条贝氏体 (LB) 、少量粒状贝氏体 (GB)和马氏体-奥氏体(M-A)组元成分. Kumar等人[11]研究出焊接热输入对贝氏体钢组织生成的影响. 结果表明，在较高的热输入下，组织则由粒状贝氏体和贝氏体铁素体组成.
目前贝氏体钢增材以熔化极电弧和激光增材为主，而对等离子增材低碳贝氏体钢的研究较少. 文中拟采用等离子方式增材贝氏体构件，并对等离子增材贝氏体钢件的微观组织和力学性能特征展开深入研究，发展复杂贝氏体构件的增材制造成形技术具有重要意义.
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试验采用等离子弧焊机作为热源，成形设备为日本安川(YASKAWA)机器人、米加尼克等离子焊机，使用尺寸为 400 mm × 250 mm × 18 mm的贝氏体钢作为增材制造基板，用直径为1.2 mm的ER80YM贝氏体钢焊丝作为丝材. 研究所采用丝材和基板材料成分见表1.
表 1 丝材与基板化学元素组成(质量分数，%)
Table 1. Chemical components of wire and substrate
材料 C Si Mn P S Cr Ni Co Mo V N Fe 基板 0.3 1.5 1.5 — — 1.5 0.5 — 0.5 — — 余量 丝材 0.037 0.605 1.853 0.015 0.010 — 2.1 0.405 0.496 0.01 — 余量 增材系统包括等离子弧焊接机器人、机器人控制柜、焊接电源、水冷箱以及送气装置等. 具体工艺参数设置见表2. 增材试验前，用打磨机打磨贝氏体钢基板表面并用酒精擦拭，去除基板表面氧化层和油污. 采用十字交叉的堆积路径，增材构件尺寸为140 mm × 120 mm × 40 mm.
表 2 等离子弧增材工艺参数
Table 2. Parameters of plasma arc additive manufacturing
参数类型 保护气体流量
Q/(L·min−1)离子气体流量
q/(L·min−1)保护气
(离子气)喷嘴至工件距离
d/mm冷却温度
T/℃电流
I/A移动速度
v/(cm·min−1)送丝速度
vf /(m·min−1)参数选择 19 0.8 Ar 9 ＜200 170 12 1.46 采用电火花线切割机在增材构件截取拉伸试样、金相试样和冲击试样. 分别采用240，600，800，1 200和1 500 W砂纸打磨金相试样表面，待表面无明显划痕后，用金相抛磨机进行抛光处理. 抛光后将试样置于体积分数2%硝酸酒精中腐蚀，采用OLYMPUS-GX41金相显微镜观察微观组织，用FEI Quanta 250F场发射环境扫描电镜进行观察断口，用XRD分析晶面衍射峰判断含有哪些物相.
试验使用HVS-1000Z自动数显维氏硬度仪进行硬度测量，试验力为5 N，停留时间为10 s. 从增材构件的底部和顶部各取尺寸为10 mm的金相样，并以0.5 mm的间距对金相样进行硬度测量. 采用CSS-44100万能试验机，依据国家标准GB/T 228—2002在室温下对增材构件的拉伸强度进行测试，取样位置如图1所示. 其中，拉伸件分为x，y，z三个方向，z方向取样取到基板向下8 mm，每个方向有3个拉伸件. 采用JBS-300B摆锤冲击试验机测试增材构件的冲击韧性，试样尺寸依据国家标准GB-T229—2007进行截取，取样位置如图1所示，其中，冲击件分为x，y两个方向，每个方向有3个冲击件.
图 1 取样位置及尺寸示意图(mm)
Figure 1. Schematic diagram of sampling location and size. (a) part sampling location; (b) drawing of tensile sample and impact sample parts
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图2为等离子增材贝氏体钢成形构件外观. 本构件增材路径为十字交叉型，即层与层之间成 90°旋转增材，以此路径结构在基板表面增材出140 mm × 120 mm × 40 mm的结构样件. 整体来看构件未出现明显的熔池流淌、开裂等成形问题，表面也未出现肉眼可见的气孔、夹渣等缺陷，成形良好.
图 2 贝氏体钢构件结构示意图
Figure 2. Schematic diagram of bainitic steel member structure
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图3为等离子增材试样的微观组织图. 从图3可知，增材构件组织主要由板条状贝氏体、粒状贝氏体和少量的奥氏体组成. 图4为试样的XRD图谱，从衍射峰可知，所有试样衍射峰均由ɑ峰和γ峰组成，即试样的微观组织均由贝氏体和残余奥氏体组成，无碳化物析出. 构件的不同区域的组织存在局部差异：顶部组织中奥氏体镶嵌在贝氏体铁素体基体上；底部区域组织形貌较为细小，有较多的粒状贝氏体. 增材构件顶部区域与底部区域组织差异与增材过程中热循环有关. 其中构件顶部区域冷却速率慢，没有后续层的再加热直接凝固成组织，所以贝氏体组织比较粗大，贝氏体铁素体板条间的白色组织增多；而底部组织接近基板部分，冷却速率快，且后续进行了多次再加热，导致部分原子(Ni，Mo，Si等元素)聚集，晶粒比较细小.
图 3 贝氏体钢增材件不同位置显微组织
Figure 3. Microstructure of bainitic steel additive at different positions. (a) At the bottom × 100; (b) At the top × 100; (c) At the bottom × 500; (d) At the top × 500
图 4 试样XRD图谱
Figure 4. XRD patterns of the samples
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图5是贝氏体钢底部和顶部截面显微硬度折线分布图. 从图5中可以看出，等离子增材贝氏体钢的显微硬度为360 ~ 390 HV. 增材构件在底部区域靠近基板，形成的急冷组织晶粒比较细小，而且基板部分元素向增材部分渗透，铁素体含量增加，硬度较高；上层贝氏体钢板条组织长大，硬度下降，熔合区域的位置因为晶粒进行再次结晶，所以贝氏体组织比较细小，铁素体聚集，因而硬度有所上升. 整体分析，等离子增材贝氏体钢的硬度平均能达到370 HV以上，达到贝氏体钢基板硬度的85%.
图 5 增材构件维氏硬度
Figure 5. Vickers hardness of additive member
图6为等离子增材构件沿x，y两个方向的冲击功数值，构件整体平均冲击韧性为145 J/cm2. 其中x方向上的平均冲击韧性为157 J/cm2，y方向上的平均冲击韧性为134.6 J/cm2，略小于x方向上的冲击韧性，x方向上由于重熔区部分的贝氏体晶粒尺寸比较细小，冲击韧性比较好.
图 6 增材构件冲击韧性
Figure 6. Impact toughness of additive member
图7为等离子增材构件材料沿x，y，z三个方向的拉伸力学性能数值. 结果表明等离子增材构件没有存在明显的各向异性. 其中x方向的拉伸强度均值为945 MPa，断后伸长率为10.8%；y方向的拉伸强度均值为963 MPa，断后伸长率为13%，z方向的拉伸强度均值为958 MPa，断后伸长率为11.4%. 其中x方向上的抗拉强度和断后伸长率略小于y方向和z方向上的抗拉强度和断后伸长率，这是因为等离子增材贝氏体钢进行搭接时，重熔区部分的贝氏体晶粒尺寸比较细小，其强度和断后伸长率都有所提升. 整体而言，等离子增材贝氏体钢的强度和断后伸长率平均可以达到955 MPa和11.7%，表明组织成形良好，无明显各向异性，这有利于后续的热处理进一步提高其性能.
图 7 增材构件的拉伸强度及断后伸长率
Figure 7. Tensile strength and elongation of additive member
图8为拉伸断口形貌，从图8可知，宏观形貌下，断口呈暗灰色，明显纤维状，且断裂边缘处出现倾斜断面形貌，角度约为45°；微观形貌下，断口表面分布大量韧窝，韧窝内有大量的第二相粒子，经EDS检测后得知为Ni，Co等元素的聚集物，进一步阻碍了裂纹的扩展，提高了结构件的韧性. 故是典型的韧性断裂.
图 8 拉伸试样断口形貌
Figure 8. Fracture morphology of tensile specimen. (a) macroscopic morphology; (b) microcosmic morphology
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(1) 采用等离子弧增材工艺可以增材出成形良好的贝氏体钢构件，构件整体未出现明显的熔池流淌、开裂等成形问题，表面无明显缺陷.
(2) 等离子增材工艺获得的构件组织存在不均匀性. 顶部组织中晶粒比较粗大，板条状贝氏体铁素体间有较多白色组织；底部区域组织形貌较为细小，有较多的粒状贝氏体.
(3) 构件整体平均硬度为370 HV以上；平均冲击韧性为145 J/cm2；拉伸试验结果显示，等离子增材贝氏体钢的平均强度和断后伸长率都可以达到955 MPa和11.7%，无明显各向异性，断口为韧性断裂.
Microstructure and properties of plasma additive low carbon Bainite steel
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摘要: 采用等离子弧增材工艺制备了成形良好的贝氏体钢构件，研究了其力学性能和微观组织. 结果表明，增材构件的微观组织主要由板条状贝氏体、粒状贝氏体和少量奥氏体组成. 增材构件组织和力学性能存在局部差异：顶部组织晶粒比较粗大，主要由板条状贝氏体和奥氏体组成，显微硬度平均值约为365 HV；底部区域组织晶粒比较细小，多为粒状贝氏体，显微硬度平均值约为384 HV；构件整体平均冲击韧性为145 J/cm²，平均拉伸强度和断后伸长率分别可以达到955 MPa和11.7%，其中x方向的拉伸强度为945 MPa，略小于y方向的抗拉强度(963 MPa)和z方向的抗拉强度(958 MPa)，说明构件抗拉强度不存在明显的各向异性，断口为韧性断裂.Abstract: The mechanical properties and microstructure of well-formed bainite steel members were studied using a plasma arc additive process. The results show that the microstructure of the additive component mainly comprised strip bainite, granular bainite, and a small amount of austenite. There were local differences in the microstructure and mechanical properties of the additive members. The microstructure at the top of the structure was mostly coarse grains, mainly composed of strip bainite and austenite, with an average microhardness of about 365 HV. The grain at the bottom was fine, mostly granular bainite, with an average microhardness of about 384 HV. The average impact toughness of the whole component was 145 J/cm2, and the average tensile strength and elongation reached 955 MPa and 11.7%, respectively. The tensile strength in the x direction was 945 MPa, slightly lower than that in the y direction (963 MPa) and z direction (958 MPa). This showed no obvious anisotropy in tensile strength, and fracture was ductile.
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Key words:
- low carbon bainitic steel /
- plasma additive /
- lamellar bainite /
- tissue property
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图 1 取样位置及尺寸示意图(mm)
Figure 1. Schematic diagram of sampling location and size. (a) part sampling location; (b) drawing of tensile sample and impact sample parts
图 3 贝氏体钢增材件不同位置显微组织
Figure 3. Microstructure of bainitic steel additive at different positions. (a) At the bottom × 100; (b) At the top × 100; (c) At the bottom × 500; (d) At the top × 500
图 8 拉伸试样断口形貌
Figure 8. Fracture morphology of tensile specimen. (a) macroscopic morphology; (b) microcosmic morphology
表 1 丝材与基板化学元素组成(质量分数，%)
Table 1. Chemical components of wire and substrate
材料 C Si Mn P S Cr Ni Co Mo V N Fe 基板 0.3 1.5 1.5 — — 1.5 0.5 — 0.5 — — 余量 丝材 0.037 0.605 1.853 0.015 0.010 — 2.1 0.405 0.496 0.01 — 余量 
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表 2 等离子弧增材工艺参数
Table 2. Parameters of plasma arc additive manufacturing
参数类型 保护气体流量
Q/(L·min−1)离子气体流量
q/(L·min−1)保护气
(离子气)喷嘴至工件距离
d/mm冷却温度
T/℃电流
I/A移动速度
v/(cm·min−1)送丝速度
vf /(m·min−1)参数选择 19 0.8 Ar 9 ＜200 170 12 1.46
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