表1列出了本研究中使用的HastelloyC276线(直径1.2 mm)的化学成分 。 在振荡频率分别为5 Hz、10 Hz和20 Hz的条件下 ， 在尺寸为205mm× 105 mm× 6 mm的4种相同的平面碳钢基体上沉积了4种15层薄壁结构 。 4个样品的WAAM工艺参数保持不变 ， 电弧电流为140 A ， 移动速度为100 mm/min ， 送丝速度为1000 mm/min 。 GTAW焊枪以10 L/min的流速使用高纯氩(99.99%) ， 并使用尾部保护气体 ， 以尽量减少沉积零件的氧化 。
表1 本研究中使用的HastelloyC276线的化学成分 。
灭弧后 ， 在每层冷却过程中 ， 增加氩气流量30 s 。 在下一层沉积之前 ， 任何飞溅的颗粒都要用不锈钢刷去除 。 在层间沉积之间大约间隔60秒 。 没有采用其他方法来控制层间温度 。 采用fira655sc热成像相机 ， 测量范围为?40-2000℃ ， 波长范围为7.5-14μm ， 捕捉成形件的温度场 ， 测量凝固时间 。 另外 ， 用另一台焊接摄像机(Xiris)观察了沉积过程中的电弧和熔池行为 。 摄像机水平安装在焊接电弧的同一水平面上 ， 这是最常用和被认为是观察电弧行为的最佳角度 。
2．2.材料表征
用激光表面扫描仪对四种沉积样品的表面光洁度进行了评价 。 利用MATLAB软件对扫描结果进行处理 。 计算表面粗糙度的标准差(SD) ， 并将其用于量化表面光洁度质量 。 金相标本提取- z平面的每个沉积样品如图2所示并且按照标准程序准备包括装配、抛光和electro-etching 6 V直流2 s 5毫克草酸组成的解决方案在室温下15毫升盐酸 。 显微照片用徕卡DM6000光学显微镜(OM)拍摄 。 用扫描电子显微镜(SEM JEOL JSM-7001F)和能量色散x射线光谱仪(EDS Oxford Instruments X-Max 80)进一步观察了微观结构 。 采用x射线衍射法(XRD) ， 以Cu Kα (λ = 1.5418?)为辐射源 ， 分析了其相组成 。
图2 冶金和机械试验试样提取示意图 。
在金相试样中部的枝晶间和枝晶核心区进行纳米压痕 ， 获得纳米硬度(H)和杨氏模量(Er) 。 在Hysitron TI 950 Triboindenter上进行了纳米压痕试验 ， 压痕载荷为7 mN ， 步长为7 m 。 维克氏硬度测量的相同的金相试样遍历从上到下的垂直方向和水平方向的宽度(见图2)使用Matsuzawa Via-F自动维氏试验机的加载500 N步长0.5毫米和一个缩进住15秒的时间 。 在移动方向(x-y面) ， 从4个试样中各提取7个拉伸试样 ， 距离侧面区域15mm ， 如图2所示 。 在Instron万能试验机上进行了恒定的十字头位移速率为1 mm/min的拉伸试验 。 用视频拉伸仪测量了拉伸加载过程中的位移 。
3结果与讨论
图3显示了在不同频率(5、10和20 Hz)下 ， 在没有MAO和有MAO的情况下 ， 在沉积过程中捕捉到的一系列焊接电弧轮廓 。 如图3a所示 ， 在没有MAO的情况下 ， WAAM的弧形轮廓稳定且静态 。 相反 ， 在不同频率的MAO作用下 ， 沉积过程中出现了动态振荡弧(图3b-d) 。 在当前施加的圆振荡模式下 ， 当外加磁场使焊接电弧偏转时 ， 等离子体电弧的方向同时发生变化 。 因此 ， 电弧以圆形模式移动 ， 并在熔融金属上产生额外的搅拌 。 当频率从5 Hz增加到20 Hz时 ， 偏转角度变化不大(~10°) 。 随后 ， 对于所有频率 ， 随着MAO的加入 ， 弧长略有增加 。 Corradi等人也发现了应用MAO后钢和钛合金材料WAAM沉积时的振荡弧型 。 这些结果证实了在WAAM过程中 ， MAO的应用确实引起了电弧运动 。 在接下来的章节中 ， 将进一步研究MAO在WAAM中的应用 ， 以讨论其对熔池行为、热演化、宏观组织和微观组织以及生产的HastelloyC276机械性能的影响 。
图3 沉积过程中的电弧行为:(a)无MAO;MAO在(b) 5 Hz;(c) 10赫兹;(d) 20hz 。
3．1.熔池的性能
图4显示了第五层沉积过程中捕捉到的典型熔池行为(为了排除前几层中的基质稀释效应 。 在四种沉积条件中 ， 在没有MAO的样品中 ， 从正面观察到最窄的焊接熔池 ， 如图4a所示 ， 用ImageJ?软件测量得到的熔池长度为17.7±0.4 mm 。 在5 Hz、10 Hz和20 Hz频率下 ， 熔池长度分别为19.2±0.4 mm、21.1±0.4 mm和21.9±0.4 mm 。 此外 ， 在没有MAO的情况下 ， 熔池中电弧热暴露位置一致 ， 在焊弧下方出现下沉变形(图4a) 。 然而 ， 随着MAO的加入 ， 电弧暴露位置周期性振荡 ， 导致热加载面积增大 ， 熔池长度增加 。 从图4b-d可以看出 ， 熔池的下沉变形也随着弧度的偏转而发生位移 。 据报道 ， 这种摆动行为引起了物理搅拌 ， 并增加了熔池中的对流流动 ， 导致了相对较大的整体温度梯度和较短的凝固时间 。
图4 第5层沉积过程中记录的典型动态熔池形貌:(a)无MAO;MAO在(b) 5 Hz;(c) 10赫兹;(d) 20 Hz 。
HastelloyC276的液相温度范围为1323-1371℃ 。 基于使用热感摄像机的观察(见典型的快照记录组件的温度分布在附录图A1)的沉积在凝固冷却速率没有MAO约160.3℃/ s远低于229.6℃/秒的记录在应用MAO 5赫兹 。 当MAO频率增加到10 Hz和20 Hz时 ， 凝固速率分别降低到177.8℃/s和180.5℃/s 。 值得一提的是 ， 随着MAO频率的增加 ， 凝固时间也有所增加 ， 而不是之前报道的的减少 。 频率(10和20 Hz)随凝固时间的增加而增加的现象被认为与本工作中使用的低振幅磁场有关 。 因此 ， 与低频率(5 Hz)相比 ， 高频率的MAO引起了更集中和更高的热输入密度 。 在较高的频率下 ， 在振荡周期中 ， 流体流动方向的反转时间较短 ， 从而导致焊接池中搅拌液体的速度较低 ， 从而降低磁场的有效性 。 如图3、图4所示 ， 在当前GTAM模式下 ， MAO的应用对金属液滴尺寸没有明显的影响 ， 这是因为所使用的电弧偏转角较小 ， 磁功率也较低 。
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