780MPa级低合金高强钢电弧熔丝3D打印药芯丝材研制及应用

摘要

电弧熔丝3D打印是一种根据零件的三维模型，使用电弧作为热源熔化金属丝材层层堆积得到零构件的制造技术。其不需要模具，组织均匀致密，是成形一些传统制造方法无法成形的大型复杂零件的重要新方法。然而，目前电弧熔丝3D打印技术普遍借用传统焊接用丝材作为堆积材料，尚没有专门用于电弧熔丝3D打印的丝材。焊接过程考虑母材和焊材的相互作用，而电弧熔丝3D打印只需考虑堆积金属的成分和性能，二者有很大的差异，因此，必须开发适用于电弧熔丝3D打印用的丝材。 金属型药芯丝材是使用钢带包覆混合好的合金粉，再经过多次拉拔减径到一定的直径得到的。相比实心和矿物粉型药芯丝材，其具有无渣或少渣、熔敷效率高、成分调控方便等优点，是电弧熔丝3D打印技术最有前途的丝材之一。 针对电弧熔丝3D打印的特点，确定了一种780MPa级金属型药芯丝材的合金化体系，通过加入V形成碳化物来提高堆积金属的强度，同时添加0.5~1%的NaF作为稳弧剂，改善工艺性。 对研制的金属型药芯丝材进行单层单道和多层多道堆积试验，堆积金属成形良好，没有出现咬边、气孔、夹渣等缺陷；在电流从155~250A变化过程中的飞溅率保持在2.5%以下，低于某实心丝材，大部分飞溅尺寸在2mm以下。 研究了堆积金属中微合金元素V含量为0%、0.07%、0.15%和0.22%时，堆积金属的组织和力学性能特点。随着V含量的增加，光学显微组织构成未发生变化，均由铁素体、粒状贝氏体组成。在透射电子显微镜下观察发现，随着V的加入，铁素体中出现析出物，且随着V含量的增加，析出物的数量逐渐增多，尺寸由5.59nm变为7.34nm再变为9.14nm，析出物分布均匀弥散。结合析出物的衍射光斑，确定析出物为VC；在四组不同V含量的配方下，均发现了板条状的贝氏体组织，板条内部存在高密度位错缠结。 随着V含量由0%变为0.22%，堆积金属的屈服强度提高了99MPa，而抗拉强度提高了42MPa，这主要是由于V显著的析出强化作用造成的；强度的提高伴随着塑性的降低；加入0.07%的V时，堆积金属的冲击吸收功降低了约20J，但是随着V含量的继续增加，冲击功不再继续降低。在扫描电镜下对冲击断口进行观察，断裂为韧性和脆性混合断裂形式，断口由韧窝与解离台阶组成，韧窝底部有夹杂物分布，随着V含量的增加，韧窝变得越来越密集，韧窝尺寸变小。 根据艉轴架的性能要求，最终使用堆积金属V含量为0.15%的金属型药芯丝材进行艉轴架模拟件的电弧熔丝3D打印。针对艉轴架模拟件的结构特点，制定了相应的分块打印策略，使用java语言编写程序进行分层切片和路径规划。在实际打印的过程中电弧稳定，飞溅较少，最终打印成形件的尺寸与目标尺寸偏差在1mm以内，打印件的组织和力学性能均与金属型药芯丝材堆积金属相近。

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