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前言
在这项工作中，AISIH13工具钢组合是通过丝弧增材制造(WAAM)生产的。比较了冷金属过渡(CMT)、低飞溅控制(LSC)和脉冲协同(PS)电流沉积模式。采用类似的沉积策略，试图评估能量输入对沉积物几何和机械性能的影响。为了评价镀层的机械性能，进行了硬度和拉伸试验。用光学显微镜分析了微观结构。
由于每个电流波形的固有特性和用于进行沉积的热源的调节，CMT和PS模式的热输入值相似，而LSC模式的热输入值较低。CMT矿床是最高最宽的。使用PS沉积模式时，温度更高。所有沉积物的硬度值都高于这种工具钢的通常硬度值。显微组织由硬质相组成，晶界析出物是拉伸试样发生脆性断裂的原因。
实验方法
为了比较沉积模式对使用CMT、LSC和PS产生的沉积物的几何和机械特性的影响，使用了Fronius焊接电源的TPSi320CMT。CMT焊炬安装在三轴铣床上，其数控可以用标准ISO语言编程，以高精度定义和获得刀具轨迹和焊炬速度。
沉积的珠粒的总长度为170mm，并改变沉积方向以避免材料在起始点的积聚。沉积的闲置时间设定为35秒。通常，在后续层的沉积之间使用闲置时间，以允许温度降低到相变范围之下。该值从初步试验中选择，以避免顶层过度重熔，并在所有试验中保持不变。
送丝材料是直径为1.0毫米的铬-钼-钒合金钢AISIH13(incubmingcrmov5-1)。根据制造商Bohler-Uddeholm，当淬火和回火以达到52HRC时，这种钢在室温下具有1820MPa的抗拉强度和1520MPa的屈服强度。它的化学成分如下表所示。碳素钢棒用作沉积的基板(基底),其尺寸为250×150×12mm。基底预热为120℃。
所有沉积的参数设置如下:送丝速度=5.0m/min；沉积速度=240mm/分钟；开始时，触头与工件的距离=18mm，每次沉积后，焊枪向上移动3.5mm；保护气体Ar+2%CO2通量为15升/分钟；层数=30。每种沉积模式进行一次沉积(壁),沉积物的概观见图一。
拉伸试验样品按照ASTME8/E8M-16使用厚度为4mm的亚尺寸，如图2所示。对于每面墙，沿建筑方向纵向抽取3个拉伸试样，并命名为“顶部”、“中部”和“底部”，目的是验证试样位置对结果的任何可能影响，因为底部焊道比顶部焊道经历更多的热循环。拉伸试验在室温下在万能试验机(InstronMTS810)上以0.5毫米/分钟的恒定速度进行。
硬度和微观结构分析在从每个断裂拉伸样品的握持部分提取的样品中进行，即横向于构建方向，如图所示。将样品固定在酚醛树脂中，并使用标准金相程序进行制备:在80#至2000#砂纸中研磨并抛光。样品用2%硝酸溶液蚀刻。使用显微镜NikonEclipseLV150进行光学成像。使用岛津HMV-2000设备，使用300g的负载和10s的停留时间，进行硬度努普试验。识别之间的距离为0.5mm，导致在每个样品中进行近20次硬度测量。
使用K型热电偶在基板上测量热循环。热电偶的位置如图3a所示。它们被放置在距离墙壁边缘(第一个珠子)5毫米(TC1和TC2)和12毫米(TC3)的位置。电阻点焊程序用于固定热电偶。带有热电偶的完整沉积物的例子如图3b所示。
结果和讨论
图4的图表。显示三种沉积模式下每层的测量沉积电流和电弧电压。使用集成的电源记录器获得的沉积工艺参数如表所示2对于每种沉积模式。值得一提的是，虽然焊丝进给速度(W)已经被设置为5.0m/min，但是电源的内部控制为每种沉积模式“调节”该值，并且结果如下表中所示。此外，每种沉积模式的沉积能量输入(E)基于由源输送的平均电弧功率(IP)和所采用的沉积速度来计算，这对于三种沉积模式是相同的。
在图4可以观察到LSC沉积电流和电压的微小变化。尽管与LSC相比，CMT的电流值具有更高的分散性，并且其电流值更高而电压值更低，但是两种沉积模式都具有相同的趋势。然而，PS呈现最低的平均电流值，并且随着沉积更多的层，其值降低；
从第1层到第30层的差异约为28.6%。通过这种模式下的电弧电压观察到相反的趋势，从层1中的21.4V变化到层30中的23.3。所采用的沉积模式以及随之而来的参数会影响沉积物的几何形状。如上所述，对于所有沉积物，连续层之间的喷枪垂直移动保持恒定(3.5mm)。
由于PS壁的总高度是最低的，接触尖端到工作点的距离(CTWD)的小的累积增加应该产生张力的逐渐增加，由协同电源程序通过电流减少来补偿。此外，该程序通常是为单道次设计的，会受到零件堆积时热量累积的影响。
较低的电流值可能与PS中的波形和CTWD变化有关，而CMT中的较高电流与较高的送丝速度表有关由该模式的源调节，导致三种沉积模式之间的最高沉积电流。值得注意的是，尽管沉积参数明显不同，但CMT模式和PS模式的沉积能量输入相似，略高于LSC模式。
使用CMT模式制造的墙显示出较大的高度并且是最宽的。这可归因于较高的送丝速度和沉积电流，因为三种沉积模式的焊接速度相同。电流影响沉积速率；随着电流的增加，焊丝熔化速率增加，因此沉积速率也增加。尽管LSC模式的能量输入低于PS模式，但其壁高较高，再次显示电流对沉积速率的显著影响。
热量输入的增加降低了冷却速率，然而，层体积的增加导致相反的效果，促进了热量的提取。因此，热量输入和沉积模式都会影响人造沉积物的热循环，如图5所示。虽然热电偶被放置在衬底中，这意味着比沉积层中的实际温度低，但是可以观察到用于产生壁的每种沉积模式的热循环的一般趋势:LSC模式的热循环更缓和，PS模式的热循环更剧烈。
可以注意到，即使对衬底和热电偶附近的第一层进行预热，峰值温度也相对较低，LSC、CMT和PS模式下分别达到255℃、271℃和353℃。这意味着在初始沉积期间产生的大部分热量被转移到基板和周围环境(工作台、夹紧系统、环境)，正如这些低能量沉积模式所预期的。每种沉积模式的峰值温度如图6所示。
值得注意的是，热电偶并不位于沉积物总长度的中心，因此，由于这些层是在交替的沉积方向上产生的，当沉积在放置热电偶的位置的相对侧开始时，它有更多的时间冷却，直到热源(炬)再次到达该位置。这解释了当考虑每个热循环时交替的峰值温度(如“之字形”)。或峰值温度(图6)。
对于每种沉积，LSC模式总是表现出最低的峰值温度，这可能与其相对于其他模式的最低沉积能量输入有关。然而，当比较CMT模式和PS模式时，能量输入值本身不能解释热循环/峰值温度行为的差异，因为它们的能量输入值相似，但是PS模式观察到的峰值温度高于CMT模式的峰值温度，至少在第一沉积层中是这样，在第一沉积层中到热电偶位置的最小距离较低。这种效应是由于沉积电流波形和CMT沉积模式的金属丝运动特性共同作用的结果。
硬度曲线如图7a所示。代表从拉伸样品中提取的样品中测量的总压痕点，即在沉积的垂直方向上。进行宏观分析，尽管宏观结构不均匀，但在制造的壁中没有观察到内部缺陷(裂纹、孔隙、未熔合)。可以注意到，在每层之间交替的三个不同的晶粒区如图7b、c所示。
这些建议区域(细晶区、部分细晶区和粗晶区)基于多道焊接接头热影响区的常见区域[17, 34].一般来说，注意到在具有普遍等轴形状的精炼区中发现较低的硬度值；随后的增加与部分细晶区和粗晶区有关，粗晶区呈现较大的柱状晶粒。例如，如图7所示。
对于PS模式，757HK的第24号压痕在粗晶粒区进行，下一个746HK的压痕(压痕25)涉及细化区。那么，这些区域可能与硬度振荡有关，图7其中由于材料的加热和冷却，新的沉积层产生具有特定微结构的新区域。
这些机制在金属部件的添加制造中是常见的，其中由电源和冷却传递的能量影响最终的微观结构，并且对于未热处理的WAAM沉积物也是常见的。也就是说，硬度分布可以支持晶粒尺寸和微观结构的不均匀性的表示。似乎在图7a。
与其他沉积模式相比，PS沉积模式的硬度值变化较大，而中间样品(大约在壁高的中心区域)的硬度值变化较小。硬度分布中具有更大均匀性的区域也是达到准稳态热流状态的区域。
图8根据垂直方向上的位置，显示每种沉积模式的平均、最小和最大硬度值。在靠近基材的区域和顶层中观察到较高的硬度变化:在PS沉积模式的基础样品中观察到最低硬度值690HK(约58HRC),而在基础样品和顶层样品中，CMT和PS模式的最大硬度值分别为826HK(约64HRC)。
总的结果显示在图7和图9表明即使考虑到最低的硬度结果，这些值也非常高，表明显微组织由硬质相组成。AISIH13是一种与铬、钼和钒形成合金的碳钢，铬、钼和钒是强碳化物形成元素。这种钢具有高淬透性，奥氏体向马氏体的转变发生在很宽的冷却速率范围内。这意味着所采用的沉积模式和随后的热循环没有引起AISIH13钢沉积物硬度值的显著变化。
拉伸试验的结果见图9，其中还可以观察每种沉积模式的底部、中部和顶部样品的单独结果。强度值很高，但是低于制造商使用传统制造方法规定的强度值。如图9b中的例子所示，试样没有出现颈缩和脆性断裂。
低伸长率阻碍了获得完全的抗拉强度。此外，考虑到结果的分散性，没有观察到它们之间与沉积模式有关的显著差异。有一些因素可能导致不令人满意的机械性能。残余应力会影响机械性能。
它们来源于沉积过程中的温度梯度以及冷却和固态相变Cottam等人使用直接金属沉积来生产AISIH13钢的一部分，并证明了残余奥氏体向马氏体的转变导致了压应力区域，而拉应力区域则归因于马氏体在积聚过程中被来自激光的热量所回火。
此外，还证明了应力的分布是不对称的在目前的研究中，没有评估残余应力，但是热梯度是WAAM固有的，并且固态相变是AISIH13的特征。对强度结果有贡献的另一点是由具有等轴、柱状和树枝状晶粒的区域引起的晶粒结构的不均匀性，这些晶粒在拉伸期间以不同的方式表现，因此可引起不均匀变形，产生应力集中区。
总结
比较在这项工作中研究的三种沉积模式，在评估的机械性能中没有发现强烈的差异。硬度结果非常高，表明微结构中存在硬质相。获得了高抗拉强度值，但是所有的样品都表现出低伸长率脆性断裂。显微组织由马氏体、碳化物和残余奥氏体组成。晶界沉淀导致拉伸试验中观察到的脆化。
根据上面的评论，尽管所研究的三种沉积模式，CMT、LSC和PS，允许获得表现出相似特性的WAAM沉积物，但是由于AISIH13钢的冶金特性，沉积物的机械性能不令人满意。另一种沉积方案或热处理的应用可以改善沉积物的性质。