引用本文：
李旭峰、林健、夏志东等.冷金属过渡电弧增材制造不同沉积路径H13钢成型件的显微组织和硬度[J].2022年46(4)机械工程材料:42-47.
Li X F , Lin J , Xia Z D, et al. Microstructure and Hardness of CMT Wire-Arc Additive Manufactured H13 Steel Formed Parts in Different Deposition Paths, 2022, 46（4）: 42-47，55.
DOI:10.11973/jxgccl
冷金属过渡电弧增材制造技术是在不同沉积路径下制备的H基于热弹塑性有限元法，分析了成形件的热过程，并通过试验研究了成形件的显微组织和硬度。结果表明，5层单道和5层成形件的热过程基本相同，5层单道成形件值温度远高于5层成形件的中间点，5层单道成形件的热积累效应更明显；5层单道成形件的板条马氏体组织比5层单道成形件厚；5层单道成形件在同一高度上的硬度略高于双向成形件，5层单道成形件的平均硬度略低于5层。
1 样品制备和试验方法
基板和填充焊丝材料均为H13模具钢，焊丝直径13.2mm。
1 样品制备和试验方法
基板和填充焊丝材料均为H13模具钢，焊丝直径13.2mm。沉积前用角磨机打磨基板表面，去除表面氧化层。电弧增材采用机器人辅助冷金属过渡焊接技术制造，其中焊枪固定在6轴 ABB IRB在1600型机器人上，5层单道和5层成形件按同向和双向路径沉积，具体沉积路径如图1所示。
在沉积过程中，用热电偶温度数据记录仪实时收集图2中黑点所示位置的热循环温度，测温范围为0~1200℃。
成形件中图3所示的线切割方法A~F在位置上截取金相样品，其中A~C取样位置为5层单道中的第2层，D~F取样位置为单层5道中的第二道，箭头表示相应位置的传热方向。金相试样经研磨抛光处理，用CuSO4、HCl、H2O溶液腐蚀后，使用扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织。相邻试验点间隔为1mm，载荷为1.98N，保载时间为10s。
2 有限元模拟
采用ABAQUS有限元分析软件对不同路径下的沉积过程进行热弹性有限元分析，通过热顺序耦合模拟沉积过程的热循环。由于热源在沉积过程中具有瞬时性和集中性，沉积层和热影响区的温度和应力梯度较高，沉积层及其附近采用加密网格，最小尺寸为0.6mm。5层单道模型的单元总数为16728，节点总数为20461；单层5道模型的单元总数为31116，节点总数为35440，有限元模型的具体网格划分如图4所示。计算中采用DC3D8线性传热单元模拟温度场，在模型底部3点设置位移约束。
3 结果与讨论
3.1 热循环温度
从图5可以看出，5层单道和5层双向成形件基板的温度测量结果与模拟结果基本一致，相对误差小于10%。在测试过程中，由于基板和卡具之间的热交换，温度模拟结果略高于测量结果；随着沉积层高度的增加，热源与基板之间的距离越来越大，热量主要通过空气传导，热损失速率较慢，因此测量点的热积累效应明显，温度呈明显上升趋势；单层，热源与基板直接接触，热损失速率快，热积累效应不明显，温度上升趋势缓慢。
从图6可以看出，模拟双向沉积时第一层(道)起弧点的热循环曲线略高于同向沉积时，这是由于焊枪在同向沉积时返回起弧点的过程有助于成型件的散热；在两种沉积路径下，第一层(道)起弧点的热循环曲线趋势相同，均有5个温度峰值，其中第1、3、5个峰值温度基本重合。第二、四层双向沉积时，热源与前一层运动方向相反。沉积奇数层后第一层（道）起弧点的冷却时间较长，导致沉积偶数层的峰值温度滞后于同向沉积时的峰值温度。第二、四层双向沉积时，热源与前一层运动方向相反，沉积奇数层后第一层(道)起弧点的冷却时间较长，导致沉积偶数层时该点的峰值温度滞后于同向沉积时的峰值温度。第四层(道)和第五层(道)双向沉积相当于第三层(道)中点的再加热。从图7可以看出，双向沉积5层单道第三层中间点的峰值温度远大于双向沉积5层第三层中间点的峰值温度，表明5层单道成形件的热积累效应比5层单道成形件更明显。
3.2 显微组织
从图8和图9可以看出，成形件的显微组织主要是致密板条马氏体(M)，5层单道成形件的中间位置B)长条块状铁素体存在(F)。电弧的
随着离熔池中心距离的增加，能量分布呈指数衰减。单个电弧的中心温度远高于边界位置，热量从熔池中心扩散到边缘，导致熔池中温度梯度较大。因此，马氏体的生长方向主要与温度梯度方向一致。不同沉积层的温度梯度方向不同，马氏体的生长方向也不同。两种沉积路径下的热输入相同，因此成形件的显微组织基本相同。由于5层单道成形件的峰值温度高于5层单道成形件的峰值温度，即5层单道成形件在沉积过程中的平均温度较高，其马氏体组织较厚。
3.3 硬度
从图10可以看出，同向沉积5层单道成形件的硬度略高于双向沉积5层单道成形件，平均硬度分别为435和419HV。结合热循环曲线分析，双向沉积过程中的热积累可能更严重，导致成形件组织中铁素体含量增加，因此双向沉积5层单体成形件的平均硬度较低。同向沉积和双向沉积单层成形件的硬度分布基本相同，平均硬度分别为442和441HV。5层单道成形件的平均硬度略低于5层单道成形件组织中硬度较低的大尺寸铁素体。
4 结论
(1) 5层单道和5层成形件的热过程基本相同，热循环曲线变化规律相似；第一层（道路）双向沉积的起弧点略高于
双向沉积5层单道成形件第三层中间点的峰值温度远高于双向沉积5层成形件第三层中间点，5层单道成形件中的热积累效应更为明显。
(2) 2种路径沉积得到的5层单道和单层5道成形件的显微组织均主要为致密的板条状马氏体，但5层单道成形件的马氏体组织较粗大；在温度梯度的影响下，成形件不同区域的马氏体生长方向不同。 (3) 同向沉积5层单体成形件在同一高度上的硬度略高于双向沉积5层单体成形件。同向沉积和双向沉积5层成形件在水平方向上的硬度分布基本相同，5层单体成形件的平均硬度略低于5层，这与组织中硬度较低的大型铁素体有关。 (3) 同向沉积5层单体成形件在同一高度上的硬度略高于双向沉积5层单体成形件。同向沉积和双向沉积5层成形件在水平方向上的硬度分布基本相同，5层单体成形件的平均硬度略低于5层，这与组织中硬度较低的大型铁素体有关。