第15卷第6期精密成形工程
十堰汽车2023年6月JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING127
热锻模药芯焊丝电弧增材制造熔覆层
卢红杰，刘建永
（湖北汽车工业学院材料科学与工程学院，湖北十堰 442002）
摘要：目的研究工艺参数、搭接区域对熔覆层组织和性能的影响以及磨损性能的各向异性。方法在H13基板上分别制备单道多层和多道多层熔覆层。对熔覆试样进行2次高温回火，分别对单道多层和多道多层试样的搭接区与非搭接区进行往复磨损实验。研究多道多层试样平行和垂直于扫描方向熔覆层的磨损性能，结合金相组织，讨论磨损性能与组织的关系。结果熔覆层的组织为回火马氏体+残余奥氏体+粒状碳化物。与扫描速度8 mm/s相比，扫描速度10 mm/s时熔覆层的残余奥氏体含量更高、硬度更低、磨损轮廓更大。与非搭接区相比，搭接区组织更为粗大、摩擦因数表现更不稳定、磨损轮廓更大。与平行扫描方向相比，垂直于扫描方向的试样摩擦因数更稳定、磨损轮廓尺寸更小。结论扫描速度8 mm/s时的单道多层熔覆层的磨损性能优于扫描速度10 mm/s时的；多道多层熔覆层搭接区的磨损
性能比非搭接区的磨损性能差，与平行扫描方向相比，垂直扫描方向的熔覆层磨损性能表现较佳。
关键词：电弧增材制造；热锻模；往复磨损
DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.06.016
中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)06-0127-09
Tribological Properties of Hot Forging Die Flux Cored Wire Cladding Layer
by Arc Additive Manufacturing
LU Hong-jie, LIU Jian-yong
(School of Materials Science and Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442002, China)
ABSTRACT: The work aims to study the effects of process parameters and lap area on the microstructure and properties of the cladding layer and the anisotropy of wear properties. Single-pass multilayer and multi-pass multilayer cladding layers were pre-pared on H13 substrate, respectiv
ely. The cladding samples were tempered twice at high temperature and reciprocating wear tests were carried out on the lap and non-lap areas of single-pass multilayer and multi-pass multilayer samples respectively. The wear properties of the cladding layers in parallel and perpendicular to the scanning direction were studied. The relationship be-tween wear properties and microstructure was discussed by metallographic analysis. The microstructure of the cladding layers
收稿日期：2022–09–16
Received：2022-09-16
作者简介：卢红杰（1998—），男，硕士生，主要研究方向为电弧增材制造。
Biography：LU Hong-jie (1998-), Male, Postgraduate, Research focus: arc additive manufacturing.
通讯作者：刘建永（1978—），男，博士，副教授，主要研究方向为金属学及金属工艺。
Corresponding author：LIU Jian-yong (1978-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: metallogy and metal tech-nology.
引文格式：卢红杰, 刘建永. 热锻模药芯焊丝电弧增材制造熔覆层摩擦磨损性能[J]. 精密成形工程, 2023,
15(6): 127-135. LU Hong-jie, LIU Jian-yong. Tribological Properties of Hot Forging Die Flux Cored Wire Cladding Layer by Arc Additive
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was tempered martensite + residual austenite + granular carbide. The cladding layers at a scanning speed of 10 mm/s had higher residual austenite content, lower hardness and larger wear profile than that at 8 mm/s. Compared with the non-lap area, the lap area had coarse structure, unstable friction coefficient and large wear profile. The friction coefficient of sample perpendicular to the scanning direction was more stable than that of sample in parallel to the scanning direction, and the wear profile size was smaller. The wear properties of the single-pass multilayer cladding layer at a scanning speed of 8 mm/s are better than that at a scanning speed of 10 mm/s, the wear properties of the lap area are slightly worse than that of the non-lap area, and the wear properties of the cladding layer perpendicular to the scanning direction are better than that of the cladding layer in parallel to the scanning direction.
KEY WORDS: arc additive manufacturing; hot forging die; reciprocating wear
热锻模具的使用工况非常恶劣，在强烈的挤压、冲击与冷热交替载荷下，热锻模具容易产生磨损、塑
性变形、断裂等失效行为[1-3]。现行对失效热锻模具修复的方式主要是人工堆焊：先用电弧气刨去除热锻模具的失效部位，再用人工堆焊填平模块，最后进行机加工[4]。该过程最终去除的材料一般是堆焊材料总量的2/3，材料浪费较为严重。人工堆焊对操作人员的技能要求高，且工作环境恶劣、堆焊模块一致性差[5]。电弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacture，WAAM）技术以电弧作为热源熔化金属丝材，利用三维模型逐层扫描、快速凝固成形金属实体部件，其优点是近终成形、材料利用率高、生产效率和成形质量高[6-8]。WAAM技术在热锻模具修复领域能有效降低成本和技术门槛、提升修复质量，近年来越来越有替代人工堆焊的趋势[9-10]。
WAAM技术的成形质量主要受两方面影响：焊材成分和成形工艺。优化焊材合金成分、研发新焊材、提升热锻模具耐磨性能是目前研究的主流方向[11]。吕彦等[12]通过调整焊材中钼和镍的含量，发现当钼、镍质量分数为2%时，熔覆组织耐磨性能最优。Osetkovskiv等[13]对比分析了2种不同成分的Fe–Cr– C系焊材，发现在药粉中适当加入W元素，能够改善组织耐磨性能。在成形工艺上，姜淑馨等[14]通过控制不同的层间温度制备试样，发现当层间温度为150~200 ℃时，能获得外观形貌好、成形质量优的成形件。Ge等[15]采用不同的沉积策略制备H13钢块体，发现在相邻层间采用相同的扫描策略，得到的熔覆金属硬度与耐磨性更佳。
查阅大量文献发现，对于WAAM热锻模修复研究，国内外重点关注在新焊材的研发、工艺方式与方法的创新等[16]，目前有关不同区域、不同方向上成形组织和性能的差异研究较少。因此，文中以常用热
锻模具材料H13钢为基板，采用热锻模具修复用药芯焊丝焊材，制备2组不同工艺参数的单道多层试样，研究工艺参数对单道多层熔覆层微观组织与摩擦磨损性能的影响；再以其中一组工艺参数制备多道多层试样，研究搭接区与非搭接区的微观组织以及不同方向上摩擦磨损性能的差别，以期为WAAM技术修复热锻模具工艺参数、扫描策略的选择提供应用依据。
1 实验
1.1 材料与试样制备
采用型号为KT865CW热锻模具焊材（山东凯泰焊接技术有限公司生产），焊丝直径为1.6 mm。以尺寸为220 mm×55 mm×10 mm的H13钢为基板。焊材和基板的化学成分如表1所示。基板表面先打磨、抛光，再用酒精超声波清洗，随后通过WAAM系统制备试样。
WAAM系统由型号为MH6的安川机器人、Dimmension812型Miller焊机及配套Miller70系列送丝机组成。选用Ar（体积分数为80%）+CO2（体积分数为20%）混合气体为保护气，气体流量保持在15~20 L/min，焊与基板距离为12 mm，熔覆电压为20 V，送丝速度为8 mm/s，熔覆电流与送丝速度由焊机自动匹配。在其余工艺参数相同情况下，扫描速度分别取8 mm/s与10 mm/s，层与层间采用往复式的扫描路径，制备2组单道8层试样。再以上述扫描速度为8 mm/s时的工艺参数，采用道间往复式、层间相同的扫描路径，堆积4道3层试样，扫描路径如图1所示。所有试样经历2次温度为570 ℃、保
表1 H13钢与KT865CW丝材化学成分
Tab.1 Chemical composition of H13 and KT865CW wt.% Material C Cr Si Mo V Mn Ti S P
H13 0.32-0.42 4.75-5.50 0.80-1.20 1.10-1.750.80-1.200.20-0.50 — ≤0.030≤0.030
KT865CW 0.22 10.55 1.08 2.53 0.27 1.21
0.90
0.006
0.022
第15卷第6期卢红杰，等：热锻模药芯焊丝电弧增材制造熔覆层摩擦磨损性能129
温时间为45 min的回火热处理。分别取扫描速度8 mm/s和10 mm/s单道多层熔覆金属的磨损试样，以及多道多层熔覆金属搭接区、非搭接区、横向3组磨损试样，总共5组试样，取样位置及试样尺寸如图1所示。取样后，使用型号为M7140的卧轴矩台平面磨床，对试样表面统一进行磨削加工，试样加工后用酒精进行超声清洗，磨削加工方向如图1所示。
图1 试件取样及往复磨损实验示意图
Fig.1 Schematic diagram of sampling and
reciprocating wear test 1.2 方法
将各组待摩擦磨损试样表面视为金相观察面，使用HF+HNO3+H2O（体积比为1︰3︰7）溶液进行金相腐蚀，并观察其金相组织。使用MH–5型显微硬度仪对熔覆组织进行硬度测量。采用TIME®3234型号波纹度仪（北京时代锐达科技有限公司生产）进行表面粗糙度测量与实验后磨损的截面形貌轮廓测量，表面粗糙度测量方向如图1所示。采用型号为MFT–5000的多功能摩擦仪（美国Rtec公司生产）进行往复磨损实验，摩擦副为直径6.35 mm的碳化钨球体。对5组试样进行连续式磨损实验，施加载荷为400 N，磨损距离为15 mm，磨损速度为5 mm/s，磨损时间为100 min，实验结束后测量磨损截面形貌轮廓。为了能多方向验证以及动态观察磨损过程，再对5组试样进行相同力学参数下的间断式磨损实验，每20 min为一个时间段，共5个时间段，总时长为100 min，并测量每个时间段磨损的截面形貌轮廓。
2 结果与分析
2.1 金相组织
单道多层试样金相组织如图2所示。由图2a和图2c可知，扫描速度8 mm/s和扫描速度10 mm/s的熔覆组织均呈等轴枝晶形貌，较高的扫描速度可使晶粒更为细密。结合焊材成分、成形工艺以及相关文献
图2 单道多层试样金相组织
Fig.2 Metallographic structure of single-pass multilayer sample: a) low magnification image of sample at a scanning speed of 8 mm/s; b) high magnification image of sample at a scanning speed of 8 mm/s; c) low magnification image of sample at a scanning speed of 10 mm/s; d) high magnification image of sample at a scanning speed of 10 mm/s
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可知，在高倍金相视场下，2组试样的微观组织主要为回火马氏体+残余奥氏体+粒状碳化物[17]，残余奥氏体呈网状分布在回火马氏体之间，如图2b和图2d 所示。根据文献[18-19]可知，高含量的合金元素会促进快速冷却过程中马氏体切变，因此导致熔覆层主要组织为马氏体，焊丝中存在的铬、钼、钒等元素均可降低马氏体转变温度，使组织形成大量的残余奥氏体。与扫描速度10 mm/s相比，扫描速度8 mm/s熔覆层的回火马氏体组织更为粗大，网状残余奥氏体形态更细、含量更低，这主要与材料组织经受的热历程有关，扫描速度越低，熔覆金属热历程相对缓慢，更能促进残余奥氏体向马氏体转变。
多道多层试样金相组织如图3所示。由图3a和图3c可知，搭接区和非搭接区的组织均为回火马氏体+残余奥氏体+粒状碳化物。相较于非搭接区呈网状分布的残余奥氏体，搭接区的残余奥氏体呈细小块状，其含量远低于非搭接区含量。这是因为搭接区经历了重熔，其相对缓慢的热历程有助于残余奥氏体的
转变[20]。
2.2 硬度
熔覆组织硬度测量结果如图4所示。测量方向为垂直于电弧扫描方向，相邻2个测量位置间隔0.5 mm。所有试样硬度值为51HRC~54.5HRC，可以明显看出，扫描速度8 mm/s试样的硬度高于扫描速度10 mm/s 试样的，平均硬度高了约2HRC。这是由于这2组试样组织相似，主要为回火马氏体+残余奥氏体，扫描速度8 mm/s试样的回火马氏体组织粗大，残余奥氏体含量低，因此硬度偏高。多层多道试样的硬度包含搭接区硬度与非搭接区硬度，其平均硬度为52.5HRC，对比硬度并未发现这2个区域有明显差别，这可能是回火热处理时残余奥氏体转变及马氏体分解综合作用的结果。从组织上看，搭接区马氏体粗大，残余奥氏体呈细小块状，非搭接区残余奥氏体含量相对较高，搭接区硬度应高于非搭接区硬度。回火时，残余奥氏体转变产生碳化物，能使堆焊层硬度升高；马氏体分解能导致硬度降低，在这2个因素的综合作用下，搭接区与非搭接区硬度表现差异不明显[19]。
2.3 表面粗糙度
表面粗糙度一般与材料、加工方法、加工参数等因素相关，不同的加工材料和加工方法可以使加工物体表面形成不同深浅、疏密、形状的微凸形貌[21-22]。在摩擦磨损试样的制备过程中，最后的工序是将各组不同试样并列排放，同时在卧式磨床上进行磨削加工表面处理，从而保证加工条件的一致性。
加工后各试
图3 扫描速度8 mm/s多道多层试样金相组织
Fig.3 Metallographic structure of multi-pass multilayer sample at a scanning speed of 8 mm/s: a) high magnification image of non-lap area; b) low magnification image of multi-pass multilayer sample; c) high magnification image of lap area
图4 熔覆组织硬度
Fig.4 Cladding structure hardness: a) sample at a scanning speed of 8 mm/s; b) sample at a scanning speed of 8 mm/s and 10 mm/s
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样表面粗糙度的测试结果如图5所示。每个试样测试5组求平均值，从图5可以看出，非搭接区、搭接区
和横向试样的表面粗糙度大致相同，这是因为这3个部位所取的小长方体摩擦磨损试样都是从多道多层堆焊体中取出的，都包含了堆焊体搭接区与非搭接区的组织，只是包含比例不同，材料组织相近，在相同加工工艺下，表面粗糙度相近。扫描速度8 mm/s试样的表面粗糙度最小，表明该试样切削加工性能最好，扫描速度10 mm/s试样的切削加工性能次之。
图5 磨削加工后表面粗糙度
Fig.5 Surface roughness after grinding
2.4 摩擦性能
连续式磨损实验摩擦因数曲线如图6a所示。可以看到，5组试样的摩擦因数均先迅速增大，然后呈现波动的上升趋势，摩擦因数总体表现较平稳，在0.4~0.6之间波动变化，其中，在1 800~4 000 s时变化最为剧烈。该现象可能是由于磨损初期试样表面形成了氧化膜保护层，磨损进入相对稳定阶段。磨损中期，硬质磨屑形成磨粒磨损，使磨损表面破坏，摩擦因数波动剧烈，之后又形成新的稳定磨损表面，摩擦因数表现为回归稳定。连续式磨损实验摩擦因数的原始数据经小波去噪处理后的统计结果如表2所示，其中方差体现了统计数据的稳定性，方差越小表明摩擦
过程越稳定。在统计总数相同的情况下，与扫描速度
10 mm/s相比，扫描速度8 mm/s试样的平均摩擦因
数与方差明显更低，这表明扫描速度8 mm/s参数下
的组织摩擦性能更优，摩擦过程也更为稳定。分析认为，扫描速度8 mm/s试样有更高的硬度和更低的表
面粗糙度，通常情况下，材料硬度越高，表面粗糙度
越高，摩擦因数越小。在多道多层试样中，非搭接区
摩擦因数均值略低于搭接区的，表明非搭接区组织摩
擦性能优于搭接区的。横向试样的摩擦因数与方差明
显低于搭接区与非搭接区的，说明垂直扫描速度方向
的摩擦性能与摩擦稳定性均优于平行扫描速度方向的。分析认为，该现象与磨损过程中磨粒的产生有关，
磨损表面材料的脱落情况主要由磨损过程中抵抗裂
纹萌生性能以及阻止裂纹扩展性能决定，即材料的硬
度与韧性。搭接区与非搭接区硬度相似，非搭接区由
于含相对较多的残余奥氏体，韧性更好，磨损时阻止
裂纹能力更优，减少了磨粒产生，从而非搭接区的摩
擦因数相对更低[23]。横向磨损经历了搭接区与非搭接区，其表面织构发生变化，该表面织构硬度与韧性的
搭配有利于耐磨性能的提升，使摩擦因数更小更稳定。对于为何该织构能促使耐磨性能提升，还需进一
步实验研究。
表2 连续式实验摩擦因数统计
Tab.2 Descriptive statistics for coefficient of friction
in continuous tests
Sample Mean value Variance Median Scanning speed
8 mm/s
0.480 0.024
8 0.532
Scanning speed
10 mm/s
0.527 0.031
6 0.564
Lap area 0.511 0.023 9 0.540
Non-lap area 0.499 0.026 6 0.503
Transverse 0.473
0.021
8
0.489
每隔20 min的间断式磨损实验的摩擦因数曲线
如图6b所示。可以看出，间断式磨损实验整体摩擦
图6 摩擦因数曲线
Fig.6 Friction coefficient curve: a) continuous wear test; b) intermittent wear test
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