Formation mechanism of the steel/nickel heterogeneous metal interwoven by the arc additive manufacturing process
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摘要:
为了提升钢/镍异种金属管状结构(内壁为镍，外壁为钢)整体增材制造成形强度，采用电弧双丝增材制造技术，提出了由外向内、自下而上的双丝交织路径. 利用红外热成像仪记录沉积过程温度场，利用背散射衍射(EBSD)对金相试样界面展开分析. 结果表明，整体结构无明显裂纹及变形等缺陷；内层与外层在沉积过程中温度场变化数值较小，其对连续几何成形精度影响可基本忽略；钢与镍在界面处形成交错编织的形貌，两侧晶粒无明显的择优取向，两种金属以互溶的形式存在，交织界面存在明显的局部应力集中，晶粒未发生明显的再结晶现象且结构形式稳定. 文中提出的交织路径可实现钢/镍异种金属界面固溶强化及界面自锁，为高性能异种金属结构增材制造提供解决思路.
Abstract:To enhance the overall forming strength of steel/nickel tubular structures (Ni-clad inner wall and steel-shell outer wall), this study employed double-wire arc additive manufacturing technology and proposed an outward-inward and bottom-up double-wire interwoven path strategy. The deposition temperature field was monitored using infrared thermal imaging, while electron backscatter diffraction (EBSD) was applied to analyze the interface of metallographic specimens. Results showed defect-free formation with no apparent cracks or deformations in the integrated structure. Both inner and outer layers exhibited minimal temperature variations during deposition, showing negligible impact on geometric forming accuracy. The steel-nickel interface presented an interwoven morphology with non-preferentially oriented grains on both sides, existing as a mutual solid solution. Localized stress concentration was observed at the interwoven interface, where grains maintained stable configurations without significant recrystallization. This proposed interwoven path strategy achieves Fe/Ni interface solid solution strengthening and mechanical interlocking, providing a novel approach for high-performance additive manufacturing of dissimilar metal structures.
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0. 序言
随着航空航天、武器装备等工业领域的急速发展，轻量化装备的需求显著增加[1]. 异种金属零部件具有轻质、功能性强等特点，可在特定环境位置具有不同功能性，获得了相关领域的重点关注.钢/镍异质合金具有良好的抗辐射损伤性能、高温蠕变强度、优异的力学性能和耐腐蚀性能，常被用于核结构材料[2]；但是由于钢与镍间不同的物理和化学性能，常规焊接或连接方法很难获得高质量的钢/镍连接接头[3-4]. 由于焊接凝固过程中，会产生脆性的金属间化合物，从而产生裂纹等缺陷，影响结构质量. 此外，界面结合强度较差或因不同的热膨胀产生高残余应力，导致部件结构的失效[5]. 如何成形钢/镍异种金属结构零部件，获得高质量与高性能的连接，仍面临着巨大的挑战.
增材制造(additive manufacturing)通过逐层堆积成形，可实现异种金属结构的整体成形制造，且具有原位置的特定性能，近年来获得了研究人员的广泛关注[6]. 其中电弧熔丝增材制造(wire arc additive manufacturing)技术因具有成本低、效率高等优势，适用于大尺寸零部件成形制造等优势被逐步应用于工业生产制造领域. 电弧熔丝增材制造以电弧为热源，以焊丝为原材料，可对异种金属实现多丝制造模式，进而获得元素比例的原位调控及结构成形，极大提高了异种金属零部件成形质量.
目前钢/镍异种金属电弧增材制造的研究集中于单一金属连接界面或梯度层[7]. ABE等人[8]发现通过使用电弧增材制造连接不锈钢和镍基合金，可以在界面处实现良好机械性能的组合；SQUIRES等人[9]提出了一种径向界面的概念，比单块组合物有更好的机械响应. 课题组提出了一种交织路径异种金属成形方式，获得了钢/镍异种金属界面强度的极大提升[10].
文中通过钢丝与镍丝交织电弧熔丝增材制造，展开钢/镍异种金属筒体结构成形机理研究. 通过深入分析增材过程温度场，交织界面的组织演变、结合机理，探讨钢/镍异种金属成形过程，为高质量异种金属电弧增材制造提供新思路.
1. 试验方法
1.1 试验设备
电弧熔丝增材制造系统由双机械手臂KUKA KR16、Fronius CMT tps5000焊接电源、机器人控制器等设备组成，如图1所示.试验材料为直径1.2 mm的镍基合金焊丝(ERNiCrMo-3)及316不锈钢合金焊丝. 采用尺寸为500 mm × 500 mm × 5 mm的钢板作为沉积基板，沉积方式为交织路径沉积，工艺参数见表1. 在增材制造过程中，采用气体流量为15 L/min的高纯氩气对沉积层进行保护，采用德国福禄克TiX560红外热成像仪对沉积过程的温度场分布进行实时监测. 温度测试前采用热电偶对目标材料进行标定，确定合理的红外热成像仪热发射率测量参数，以保证温度场测量的准确性.
表 1 工艺参数Table 1. Process parameters材料 焊接电流I/A 焊接电压U/V 焊接速度v/(mm·s−1) 送丝速度vs/(m·min−1) 弧长修正 电弧挺度 ErNiCrMo-3 150 20.4 4.2 5.2 0 +1 316不锈钢 160 22.8 5.0 7.6 +2 −1 1.2 沉积路径规划
在电弧增材制造过程中，沉积路径的规划直接影响成形的质量. 传统的沉积方式包括单向路径与往复路径，由于单向路径容易产生较大的残余应力，引起沉积过程中构件严重的变形[7]，因此，一般采用往复路径策略，进而减小结构应力，获得更高的沉积精度[11].
为实现钢包覆镍合金筒体构件的制造，采用交织电弧的沉积策略，并对其沉积路径进行规划. 如图2所示，钢/镍种异种金属构件为两圆环相套的筒状结构，利用solidworks软件进行建模，内层为直径140 mm的镍基合金沉积层，外层为直径160 mm的316不锈钢沉积层. 将solidworks建模完成的模型进行切片处理后，综合考量焊接速度、送丝速度等参数，采用路径算法规划工件焊接过程中的沉积路径，沿着由外向内、自下而上的顺序, 钢与镍焊丝交叉，逐层堆叠. 图中L1表示先进行外侧316不锈钢的沉积，L2表示在其内侧进行镍基合金的沉积，以此类推交织沉积，最终完成构件制造，所获得的界面结构呈现互锁形式.
1.3 组织表征
利用线切割提取交织界面试样，并按标准金相试样制备程序磨样及抛光. 金相试样首先在2%Nital试剂中腐蚀，进行钢侧区域微观组织观测，然后用电解法在5 mg草酸和95 mL盐酸的混合溶液中腐蚀，直流电压设定为6 V，进一步观测镍侧区域微观组织. 利用徕卡DM光学显微镜(OM)进行显微结构观察，使用JEOL JSM-6490LA扫描电子显微镜对界面分析，同步利用牛津电子背散射衍射(EBSD)观测晶粒形貌、尺寸、取向及界面局部应力，测试参数为加速电压20 kV，工作距离18 mm，步长1.2 μm，并利用HKL-changel5软件展开分析.
2. 试验结果与分析
2.1 构件成形形貌
图3显示了双丝交织电弧增材制造钢/镍异种金属构件. 图3(a)为不锈钢焊丝与镍基合金焊丝单层沉积后形貌，可以看出表面无明显的缺陷及裂纹,交织界面处成形良好；图3(b)为成形工件的侧壁形貌，结构无明显的塌陷，层与层之间的结合良好，且表面粗糙度较小；图3(c)和图3(d)为最终结构成形，结构成形几何尺寸与路径规划几何尺寸差值较小，说明采用交织沉积的方法所得成形工件的沉积精度较高.
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图 3 钢/镍异种金属交织电弧增材制造成形部件Figure 3. Fe/Ni dissimilar component fabricated using wire arc additive manufacturing with interweave deposition path. (a) first layer; (b) outside appearance; (c) top of component; (d) side of component2.2 沉积过程温度场演化
为研究交织沉积过程中外层和内层之间的温度场分布对构件成形性的影响，图4显示了沉积第40层中外层钢和内层镍基合金的沉积温度变化过程.沉积外层不锈钢时，熔池温度约为1 600 ℃，与沉积内层镍基合金近乎相等. 结构件散热仍以热传导方式为主，热辐射与热对流较为缓慢，因此有明显的热量累积，且内外层较为均匀，因此内层与外层成形精度差异不明显.
2.3 交织界面微观组织
为了进一步研究钢/镍异种金属在交织电弧增材制造过程中界面的成形机理，对交织界面进行微观组织形貌分析，图5显示钢/镍侧界面的微观形貌.由图可知，筒体结构内部界面处无裂纹、未熔合及气孔等缺陷，不锈钢与镍基合金连接质量较好. 镍侧沉积组织形成了初级γ基质相，呈现树突状结构，大量的碳化物沿着树枝状区域形成；钢侧沉积区域以粗柱状颗粒为主，同时形成细胞状结构，碳化物颗粒也主要出现在晶界处. 钢侧与镍侧沉积区域的晶粒生长方向呈现大约60°夹角，这与焊枪行走角度，即熔池的最大温度梯度有关. 图6显示了交织界面的微观组织形貌，可以看出界面明显的熔合线，进一步对界面组织晶粒采用EBSD分析，如图7所示.
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图 7 界面晶界分布Figure 7. Grain boundaries at interface. (a) interwoven interface; (b) HAGBs and LAGBs图7(a)显示交织界面处钢/镍异种材料互相扩散熔解，因此晶粒成形边界与实际增材路径交织界面并非一致. 在晶粒晶界处，可以看到一些碳化物的产生，这是由于钢和镍异种金属在熔融凝固过程中，两相的相互溶解度相差不大以及相似的化合物特性，使两种金属在凝固的过程中能够以固溶的形式存在于交织界面处，并且对界面处的结合起到一定的强化作用. 另外，明显看到晶界并非在熔合线处产生，避免了异种金属沉积过程中形成裂纹，这有助于异种金属良好的结合.
2.4 界面EBSD分析
图8显示了钢/镍异种金属交织沉积界面晶粒取向，包括<001>，<111>和<101>方向.由于界面晶粒以固溶体形式存在，晶粒无明显固定的择优取向，进一步说明固溶体晶粒的形成有助于界面结合，减少异种金属间化合物的产生.
图9显示了钢/镍异种金属交织界面局部应力分布.图9(a)可以明显地看出在沉积的交织界面处存在局部应力集中(色标蓝色到红色区域依次显示应力大小，红色最大，蓝色最小)，图9(b)显示具体局部取向差，结果表明交织电弧沉积策略获得异种金属界面没有明显大范围的应力集中，局部界面应力相对较小，这可能是由于镍与钢异种金属相互交织沉积，在相同层间冷却时间条件下，不同凝固速率引起热应力残留.
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图 9 界面局部应力分布Figure 9. Interface local misorientation distribution. (a) KAM; (b) local misorientation图10显示了钢/镍交织界面再结晶组织和相组成. 在不锈钢与镍基合金重叠交织沉积过程中，界面形成稳定的组织，重熔部分不会引起晶粒再结晶的产生，只有极少部分晶粒组织发生再结晶，表明该沉积方法能够使界面以同种晶粒组织存在，这可以增加界面结合强度，进一步改善钢/镍异种金属连接界面处结构的稳定性.
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图 10 界面晶粒分布Figure 10. Interface grain distribution. (a) recrystallization texture; (b) grain state3. 结论
(1)采用交织路径实现了钢/镍异种金属的整体成形，获得了内壁为钢、外壁为镍的筒体结构，结构无明显缺陷和变形.交织沉积路径有助于异种金属获得良好的接头结合.
(2)交织路径沉积过程中，内外层温度场变化均匀，结构件散热仍以热传导方式为主，热辐射与热对流较为缓慢，热积累对整体结构变形影响较小.
(3)钢/镍交织界面处呈现交织的形貌特征，且形成固溶体颗粒，此固溶体在界面处可形成固溶强化.交织界面处无明显的晶粒择优取向以及局部应力集中，同时也没有明显的晶粒再结晶，避免层间化合物及裂纹的形成.
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图 3 钢/镍异种金属交织电弧增材制造成形部件
Figure 3. Fe/Ni dissimilar component fabricated using wire arc additive manufacturing with interweave deposition path. (a) first layer; (b) outside appearance; (c) top of component; (d) side of component
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图 7 界面晶界分布
Figure 7. Grain boundaries at interface. (a) interwoven interface; (b) HAGBs and LAGBs
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图 9 界面局部应力分布
Figure 9. Interface local misorientation distribution. (a) KAM; (b) local misorientation
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图 10 界面晶粒分布
Figure 10. Interface grain distribution. (a) recrystallization texture; (b) grain state
表 1 工艺参数
Table 1 Process parameters
材料 焊接电流I/A 焊接电压U/V 焊接速度v/(mm·s−1) 送丝速度vs/(m·min−1) 弧长修正 电弧挺度 ErNiCrMo-3 150 20.4 4.2 5.2 0 +1 316不锈钢 160 22.8 5.0 7.6 +2 −1 
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