1 引言

随着航空航天产业的发展,大量的金属航空部件结构越来越复杂,传统加工难以满足需求,相比之下,增材制造技术能制造形状结构复杂的零件^[1-3]。激光增材制造技术具有加工周期短、材料利用率高、可实现逐点制造的优势,被广泛应用到航空航天、核电、兵器等重要领域^[4-6]。但是,由于激光增材制造技术自身的特点,其无法直接制备出满足工业生产需求的光洁表面零件。将增材制造技术与传统减材技术相结合形成新的增减材复合制造技术,不仅弥补了增材制造尺寸精度低、表面质量差等缺点,还兼顾了传统加工高质量与高精度的优点,是目前增材制造领域最具前途的热点研究方向之一^[7-10]。

由于涉及到异种工艺耦合,如何更好地实现增减材工艺的柔顺衔接并保障成形表面的尺寸精度是目前迫切需要解决的关键问题^[11]。Mughal等^[12-14]指出,在增材制造过程中,减材加工有利于提高工件微观组织的均匀性并提高工件的力学性能。然而,在增减材制造过程中,减材工艺的基材温度状态、加工环境等条件与传统减材方式区别较大。增材制造后,基体表面的温度较高,而传统减材加工理论对加工件的温度要求较高^[15-17]。吴林涛等^[18]的研究表明,加热铣削工件可大幅降低切削过程的振动,提高刀具寿命,降低表面粗糙度。李连清^[19]指出,当工件达到一定温度时,切削区材料出现相变超塑性现象,即塑性急剧上升、变形抗力急剧下降,切削效率提高 30%~50%。吴雪峰等^[20]进行了激光辅助加热的铣削实验,结果表明,工件的不同温度状态对加工质量有明显的影响。以上研究说明,在增减材复合制造过程中,由激光引入的热量对工件后续的加工质量有较大影响,为了提高生产效益,应当考虑基体温度状态对工件后续加工的影响^[21-22]。

因此,增材工件自身的温度对后续的减材加工有较大影响,研究增材制造后基体的温度状态对加工质量及表面粗糙度的影响具有重要意义,目前国内外相关研究鲜有报道。本文以316L不锈钢粉末为原料,利用激光熔覆技术进行增材制造,增材工件达到一定厚度后进行冷却,然后直接进行铣削,通过测量基体的温度状态和对应工件铣削部分的温度状态,探究增材工件温度状态对零件铣削表面质量的影响规律,以期兼顾效率与质量。

2 实验方法

实验选取316L不锈钢粉末作为沉积材料,粉末粒度范围为75~106 μm,基体材料也为316L不锈钢,尺寸为70 mm×30 mm×30 mm,材料具体成分如表1所示。其中,增减材交互系统的具体配置为2000 W的 YAG 激光器(波长为1064 nm)、高精度送粉器、瑞士史陶比尔RX160五轴机器人、同轴喷嘴、水冷工作台及铣削系统。所用的实验参数和铣削参数如表2所示。

本文实验过程示意图如图1所示。将基材表面打磨光滑,去除油污、铁锈等杂质,在上述实验参数下进行沉积实验,沉积两层之后,分别在不同冷却时间后进行减材铣削,冷却时间分别为无冷却、冷却5 min、冷却10 min。同时利用热电偶监测和记录基材温度状态。获得工件后,利用MarSurf ps1型手持式表面粗糙度仪对三组试样的铣削表面进行测试,位置如图1(c)所示。利用MicroXAM-800型白光干涉仪对三组试样的表面微观形貌进行测试。采用X-350AC型X射线衍射仪对三组试样的铣削表面进行测试,以铣削方向作为X方向,与铣削方向垂直的方向作为Y方向,每个工件随机选择两个测试点,测试每个点X方向和Y方向的残余应力,分析不同基材温度状态对表面残余应力的影响。然后通过线切割、镶嵌、打磨及抛光等处理,将工件制成金相试样,使用由10 mL硝酸、30 mL盐酸配制而成的王水溶液进行腐蚀,采用光学显微镜观察样品Y-Z断面的金相组织。采用FV-700型维氏硬度计,分别测试了每个工件Y-Z面的沉积层顶部(距工件上表面30 μm处)、沉积层中部(距工件上表面150 μm处)和基材(距工件上表面600 μm处)的硬度,载荷为200 g,停留时间为15 s,每处测10个点,取平均值,以减小误差,位置如图1(e)所示,分析不同基体温度状态下铣削工件不同位置处的硬度。

图 1. 实验过程示意图。 (a)增材制造;(b)减材工艺;(c)表面测试位置;(d)金相试样取样位置;(e)硬度测试位置;(f)金相试样

Fig. 1. Schematic of experimental process. (a) Additive manufacturing; (b) subtractive process; (c) surface test position; (d) sampling position of metallographic sample; (e) hardness test position; (f) metallographic sample

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3 分析与讨论

3.1 冷却时间对基体温度状态的影响

图2为增减材交互过程中热电偶记录的基体温度变化过程。图2中A点为1#工件在增材制造过程中完成第一层沉积后的温度。完成第一层沉积后,冷却一段时间,进行第二层的沉积,B点为1#工件完成增材制造后的温度,约为482 ℃,基体处于高温状态。对完成增材制造后的基体立即进行铣削,铣削结束后移除热电偶,即B点之后热电偶在空气中,冷却速度较快。图2中C点为2#工件在增材制造过程中完成第一层沉积后的温度,D点为2#工件完成增材制造后的温度,约为513 ℃,冷却5 min后温度到达E点,约为205 ℃,基体处于中温状态,此时进行铣削。图2中F点为3#工件在增材制造过程中完成第一层沉积后的温度,G点为3#工件完成增材制造后的温度,约为411 ℃,冷却10 min后温度到达H点,约为165 ℃,基体处于低温状态,相较于2#工件,温度的降低速率大大减小。铣削完成后移除热电偶,从图2中可以看到,G点到H点的温度下降速度较慢,H点之后温度下降速度变快。

图 2. 增减材制造过程中的温度

Fig. 2. Temperature during hybrid additive/subtractive manufacturing

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从图2可知,完成增材制造后,工件的冷却速率随着温度的降低而不断减小,这是工件与空气的温差逐渐减小引起的。由于工件温度与冷却时间并非线性关系,且冷却时间越长,温度下降速度越慢,而较低的工件温度会降低生产效率,因此选择一个适合的冷却状态及对应的工件温度有利于兼顾工件的质量与生产效率。

3.2 基体温度状态对粗糙度及表面形貌的影响

首先,利用MarSurf ps1型手持式表面粗糙度仪,在增减材复合制造工件表面的上部、中部、下部进行粗糙度测试,每个部分别取三个点进行粗糙度测试,每个点测试两次,取平均值,其结果如表3所示。

在不同基体温度状态下进行铣削时,工件表面粗糙度的变化趋势如图3所示。可以看出,随着冷却时间的增加,基体温度降低,工件的粗糙度减小。图4为不同工件表面的三维形貌及二维轮廓。当工件进行无冷却铣削时,基体温度为482 ℃,较高的温度使工件的强度和硬度降低,塑性流动增加,如图4(a)、(d)所示。可以看出,切削处理使铣削刃上出现积屑瘤,切削的深度及宽度变大,铣削纹路呈不连续的锯齿状,波纹隆起的高度较大,工件表面的粗糙度增大,并形成凹陷及凸起的表面缺陷^[23]。当冷却时间增加到5 min时,基体温度为205 ℃,粗糙度值由2.2257 μm降低到1.1917 μm,如图4(b)、(e)所示。可以看出,表面铣削纹理清晰、连续且密集,波纹隆起的高度低,粗糙度减小,这是由于工件自身温度降低,塑性流动降低,进而刀具的磨损减小。当冷却时间增加到10 min时,基体温度为164 ℃,粗糙度值由1.1917 μm降低到0.8837 μm,如图4(c)、(f)所示。对比图4(e)、(f)可知,相较于205 ℃的基体温度,基体温度为164 ℃时铣削的工件质量更好。综上可知,随着冷却时间的增加,基体温度逐渐降低,工件的粗糙度减小,表面质量提升,但考虑到实际生产应用,并不适宜冷却太长时间,否则会降低生产效率。

图 3. 增减材工件的表面粗糙度

Fig. 3. Surface roughness of additive/subtractive workpiece

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图 4. 在不同基体温度下铣削后的表面形貌

Fig. 4. Surface morphologies of workpieces after milling at different matrix temperatures

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3.3 基体温度状态对微观组织的影响

采用光学显微镜观察样品Y-Z断面的金相组织。图5(a)为增材制造后无冷却铣削工件的显微组织,基体温度为482 ℃。可以看出,工件的沉积层顶部有明显的柱状晶粒存在。这是因为在铣削完毕后,虽然工件表面塑性变形严重,上层晶粒变形甚至破碎,但沉积层温度高于基材温度,此时沉积层温度达到了316L不锈钢再结晶的温度,所以1#工件会发生再结晶,其上层变形晶粒会重新形核、长大,形成新的晶粒,消除了塑性变形,且重结晶的柱状晶沿散热速度最快的方向生长。当基体温度为205 ℃和164 ℃时,铣削工件的显微组织分别如图5(b)、(c)所示。相比于1#工件[图5(a)],2#工件和3#工件[图5(b)和图5(c)]都有明显的变质层存在。在铣削过程中,机械载荷的作用使大晶粒破碎成细小晶粒,但由于自身温度不够,细小晶粒形核后不久便停止生长,形成新的更细小的晶粒^[24-25]。变质层是由这些细小晶粒形成的一层硬质表层。此外,在图5(a)中,晶粒沿散热速度最快的方向生长,无偏转现象,而在图5(b)、(c)中可以看到,在变质层的下半部分,晶粒沿铣削方向发生偏转, 这主要是铣削产生的剪切力造成了晶粒偏转^[26]。

图 5. 在不同基体温度下铣削后的沉积层微观组织图。(a) 482 ℃;(b) 205 ℃;(c) 164 ℃

Fig. 5. Microstructures of deposited layer after milling at different matrix temperatures. (a) 482 ℃; (b) 205 ℃; (c) 164 ℃

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3.4 基体温度状态对残余应力的影响

采用X-350AC型X射线衍射仪在工件上进行表面残余应力测试,每个工件选取两个点,分别测试X方向与Y方向的残余应力,1.1与1.2为1#工件的两个测试位置,2.1与2.2为2#工件的两个测试位置,3.1与3.2为3#工件的两个位置,测试结果如图6所示。

图 6. 各个工件表面的残余应力

Fig. 6. Surface residual stress of each workpiece

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可以看出,当基体温度为482 ℃时,对于1#铣削工件,其X方向的表面残余应力为341~391 MPa,Y方向的表面残余应力为68~82 MPa,工件表面残余应力为残余拉应力;当基体温度为205 ℃时,对于2#铣削工件,其X方向的表面残余应力为在-261~-481 MPa,Y方向的表面残余应力为-91~-256 MPa,负号表示工件表面残余应力为残余压应力;当基体温度为164 ℃时,对于3#铣削工件,其X方向的表面残余应力为-164~-205 MPa,Y方向的表面残余应力为-335~-380 MPa,工件表面残余应力为残余压应力。

由图6可知,从1#工件到3#工件,冷却时间逐渐增加,工件表面的残余应力数值从正值转化为负值,即从残余拉应力转化为残余压应力,其主要原因在于不同的冷却时间导致基体温度状态对残余应力的影响不同。增减材复合制造工件表面的残余应力由三个部分组成:冷塑变形产生的加工残余应力,即铣削加工产生的残余应力;热塑变形产生的残余应力,即增材制造中温度产生的残余应力;金相组织变化产生的残余应力。对于1#工件,工件表面残余应力首先是铣削产生的残余压应力;铣削完毕后,工件由于温度较高而发生再结晶及相变,工件表面残余应力由金相组织变化产生的残余应力和自身温度产生的残余拉应力组成,其中又以自身温度产生的表面残余拉应力为主,因此1#工件表面整体残余应力为正值,即为残余拉应力。对于2#工件,工件首先完成结晶,然后进行冷却,此时自身温度产生了残余拉应力,最后进行铣削加工,此时铣削加工产生了残余压应力,这种情况下工件表面的残余应力以铣削加工产生的表面残余压应力为主,因此2#工件表面残余应力为负值,即为残余压应力。3#工件的冷却结晶过程及残余应力产生情况与2#工件相似,表面残余应力为负值,为残余压应力。

在一般情况下,残余拉应力会导致加工表面出现裂纹,且裂纹向四周扩展,影响疲劳强度;残余压应力会提升工件的疲劳寿命,利用其可抵消部分拉应力,减慢疲劳裂纹的扩展。因此,增材制造后的冷却时间越长,越有利于工件自身的性能^[27]。

3.5 冷却时间对硬度的影响

采用FV-700型维氏硬度计对硬度进行测试,分别测试工件Y-Z面的沉积层顶部(距工件上表面30 μm处)、沉积层中部(距工件上表面150 μm处)和基材(距工件上表面600 μm处)的硬度,获得硬度后取每层各个点硬度的平均值,图7为三个工件不同位置处的显微硬度。

图 7. 工件不同位置处的硬度分布

Fig. 7. Hardness distribution at different workpiece positions

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由图7可知,对于1#工件,基体温度为482 ℃时进行铣削加工,沉积层顶部的平均硬度为 187.85 HV,沉积层中部的平均硬度为190.01 HV,基材部位的平均硬度为193.47 HV,可以认为该工件的沉积层硬度与基材硬度基本相同;对于2#工件,基体温度为205 ℃时进行铣削加工,沉积层顶部的平均硬度为308.96 HV,沉积层中部的平均硬度为244.54 HV,基材部位的平均硬度为193.13 HV,可以看出该工件的沉积层顶部硬度较高,基材处硬度较低,沉积层中部的硬度介于二者之间。3#工件各个位置的硬度与2#工件相似,整体硬度略低于2#工件。

1#工件基材处的硬度与2#、3#工件基本相同,这是由于增材制造工艺选择的是相同材料。1#工件沉积层的整体硬度低于2#、3#工件,一方面是由于1#工件铣削加工完毕后,基材温度较高,工件发生了再结晶,沉积层晶粒粗大;另一方面,由于2#、3#工件的沉积层顶部为变质层,硬度高于无变质层的1#工件。虽然冷却时间不同,但2#工件沉积层与3#工件沉积层的硬度变化趋势相同,这是因为2#工件沉积层和3#工件沉积层的金相组织比较相似,沉积层顶部均为硬度较高的变质层,沉积层中部均为柱状晶粒,且中部硬度均小于顶层硬度。在熔覆层沉积过程中,当前层对已凝固层具有加热作用,这个作用相当于进行了回火处理,导致2#工件与3#工件的硬度呈下降趋势^[28]。

4 结论

研究了增减材交互过程中基体冷却状态对工件表面质量的影响,以工件表面的粗糙度、微观形貌、金相组织、残余应力及硬度等参数对工件表面质量进行评估。结果表明,在增减材工艺衔接中,随着基体温度的降低,工件表面的塑性流动降低,减材加工过程中加工表面的粗糙度减小,工件表面的微观形貌获得改善;当基体处于较高温度时,工件表面的残余应力以热应力形成的残余拉应力为主,当基体温度较低时,工件表面的残余应力以铣削产生的残余压应力为主。此外,由于温度对原子活动能力的影响,当基体温度较低时,减材加工过程中出现的塑性强化现象不会消失,而是以变质层的形式存在,工件表面的硬度得到提高。研究结论为后续提高增减材复合制造技术的生产效率提供了新的思路,有利于增减材复合制造技术在实际生产中的应用。