引用本文：
李旭峰、林健、夏志東等.冷金屬過渡電弧增材制造不同沉積路徑H13鋼成型件的顯微組織和硬度[J].2022年46(4)機(jī)械工程材料:42-47.
Li X F , Lin J , Xia Z D, et al. Microstructure and Hardness of CMT Wire-Arc Additive Manufactured H13 Steel Formed Parts in Different Deposition Paths, 2022, 46（4）: 42-47，55.
DOI:10.11973/jxgccl
冷金屬過渡電弧增材制造技術(shù)是在不同沉積路徑下制備的H基于熱彈塑性有限元法，分析了成形件的熱過程，并通過試驗(yàn)研究了成形件的顯微組織和硬度。結(jié)果表明，5層單道和5層成形件的熱過程基本相同，5層單道成形件值溫度遠(yuǎn)高于5層成形件的中間點(diǎn)，5層單道成形件的熱積累效應(yīng)更明顯；5層單道成形件的板條馬氏體組織比5層單道成形件厚；5層單道成形件在同一高度上的硬度略高于雙向成形件，5層單道成形件的平均硬度略低于5層。
1 樣品制備和試驗(yàn)方法
基板和填充焊絲材料均為H13模具鋼，焊絲直徑13.2mm。
1 樣品制備和試驗(yàn)方法
基板和填充焊絲材料均為H13模具鋼，焊絲直徑13.2mm。沉積前用角磨機(jī)打磨基板表面，去除表面氧化層。電弧增材采用機(jī)器人輔助冷金屬過渡焊接技術(shù)制造，其中焊槍固定在6軸 ABB IRB在1600型機(jī)器人上，5層單道和5層成形件按同向和雙向路徑沉積，具體沉積路徑如圖1所示。
在沉積過程中，用熱電偶溫度數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)時(shí)收集圖2中黑點(diǎn)所示位置的熱循環(huán)溫度，測(cè)溫范圍為0~1200℃。
成形件中圖3所示的線切割方法A~F在位置上截取金相樣品，其中A~C取樣位置為5層單道中的第2層，D~F取樣位置為單層5道中的第二道，箭頭表示相應(yīng)位置的傳熱方向。金相試樣經(jīng)研磨拋光處理，用CuSO4、HCl、H2O溶液腐蝕后，使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織。相鄰試驗(yàn)點(diǎn)間隔為1mm，載荷為1.98N，保載時(shí)間為10s。
2 有限元模擬
采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)不同路徑下的沉積過程進(jìn)行熱彈性有限元分析，通過熱順序耦合模擬沉積過程的熱循環(huán)。由于熱源在沉積過程中具有瞬時(shí)性和集中性，沉積層和熱影響區(qū)的溫度和應(yīng)力梯度較高，沉積層及其附近采用加密網(wǎng)格，最小尺寸為0.6mm。5層單道模型的單元總數(shù)為16728，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為20461；單層5道模型的單元總數(shù)為31116，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為35440，有限元模型的具體網(wǎng)格劃分如圖4所示。計(jì)算中采用DC3D8線性傳熱單元模擬溫度場(chǎng)，在模型底部3點(diǎn)設(shè)置位移約束。
3 結(jié)果與討論
3.1 熱循環(huán)溫度
從圖5可以看出，5層單道和5層雙向成形件基板的溫度測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，相對(duì)誤差小于10%。在測(cè)試過程中，由于基板和卡具之間的熱交換，溫度模擬結(jié)果略高于測(cè)量結(jié)果；隨著沉積層高度的增加，熱源與基板之間的距離越來越大，熱量主要通過空氣傳導(dǎo)，熱損失速率較慢，因此測(cè)量點(diǎn)的熱積累效應(yīng)明顯，溫度呈明顯上升趨勢(shì)；單層，熱源與基板直接接觸，熱損失速率快，熱積累效應(yīng)不明顯，溫度上升趨勢(shì)緩慢。
從圖6可以看出，模擬雙向沉積時(shí)第一層(道)起弧點(diǎn)的熱循環(huán)曲線略高于同向沉積時(shí)，這是由于焊槍在同向沉積時(shí)返回起弧點(diǎn)的過程有助于成型件的散熱；在兩種沉積路徑下，第一層(道)起弧點(diǎn)的熱循環(huán)曲線趨勢(shì)相同，均有5個(gè)溫度峰值，其中第1、3、5個(gè)峰值溫度基本重合。第二、四層雙向沉積時(shí)，熱源與前一層運(yùn)動(dòng)方向相反。沉積奇數(shù)層后第一層（道）起弧點(diǎn)的冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致沉積偶數(shù)層的峰值溫度滯后于同向沉積時(shí)的峰值溫度。第二、四層雙向沉積時(shí)，熱源與前一層運(yùn)動(dòng)方向相反，沉積奇數(shù)層后第一層(道)起弧點(diǎn)的冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致沉積偶數(shù)層時(shí)該點(diǎn)的峰值溫度滯后于同向沉積時(shí)的峰值溫度。第四層(道)和第五層(道)雙向沉積相當(dāng)于第三層(道)中點(diǎn)的再加熱。從圖7可以看出，雙向沉積5層單道第三層中間點(diǎn)的峰值溫度遠(yuǎn)大于雙向沉積5層第三層中間點(diǎn)的峰值溫度，表明5層單道成形件的熱積累效應(yīng)比5層單道成形件更明顯。
3.2 顯微組織
從圖8和圖9可以看出，成形件的顯微組織主要是致密板條馬氏體(M)，5層單道成形件的中間位置B)長(zhǎng)條塊狀鐵素體存在(F)。電弧的
隨著離熔池中心距離的增加，能量分布呈指數(shù)衰減。單個(gè)電弧的中心溫度遠(yuǎn)高于邊界位置，熱量從熔池中心擴(kuò)散到邊緣，導(dǎo)致熔池中溫度梯度較大。因此，馬氏體的生長(zhǎng)方向主要與溫度梯度方向一致。不同沉積層的溫度梯度方向不同，馬氏體的生長(zhǎng)方向也不同。兩種沉積路徑下的熱輸入相同，因此成形件的顯微組織基本相同。由于5層單道成形件的峰值溫度高于5層單道成形件的峰值溫度，即5層單道成形件在沉積過程中的平均溫度較高，其馬氏體組織較厚。
3.3 硬度
從圖10可以看出，同向沉積5層單道成形件的硬度略高于雙向沉積5層單道成形件，平均硬度分別為435和419HV。結(jié)合熱循環(huán)曲線分析，雙向沉積過程中的熱積累可能更嚴(yán)重，導(dǎo)致成形件組織中鐵素體含量增加，因此雙向沉積5層單體成形件的平均硬度較低。同向沉積和雙向沉積單層成形件的硬度分布基本相同，平均硬度分別為442和441HV。5層單道成形件的平均硬度略低于5層單道成形件組織中硬度較低的大尺寸鐵素體。
4 結(jié)論
(1) 5層單道和5層成形件的熱過程基本相同，熱循環(huán)曲線變化規(guī)律相似；第一層（道路）雙向沉積的起弧點(diǎn)略高于
雙向沉積5層單道成形件第三層中間點(diǎn)的峰值溫度遠(yuǎn)高于雙向沉積5層成形件第三層中間點(diǎn)，5層單道成形件中的熱積累效應(yīng)更為明顯。
(2) 2種路徑沉積得到的5層單道和單層5道成形件的顯微組織均主要為致密的板條狀馬氏體，但5層單道成形件的馬氏體組織較粗大；在溫度梯度的影響下，成形件不同區(qū)域的馬氏體生長(zhǎng)方向不同。 (3) 同向沉積5層單體成形件在同一高度上的硬度略高于雙向沉積5層單體成形件。同向沉積和雙向沉積5層成形件在水平方向上的硬度分布基本相同，5層單體成形件的平均硬度略低于5層，這與組織中硬度較低的大型鐵素體有關(guān)。 (3) 同向沉積5層單體成形件在同一高度上的硬度略高于雙向沉積5層單體成形件。同向沉積和雙向沉積5層成形件在水平方向上的硬度分布基本相同，5層單體成形件的平均硬度略低于5層，這與組織中硬度較低的大型鐵素體有關(guān)。