天津大學增材頂刊：埋弧增材制造各向同性大型、高性能、致...

來源：材料學網(wǎng)

導讀：本文研究了一種用高效埋弧等離子體代替熱源的新型線弧增材制造方法的有效性。即埋弧增材制造。通過確保完整的柱狀到等軸狀轉(zhuǎn)變，可以在大部分大型低碳鋼部件中獲得各向同性的微觀結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)組件的頂部區(qū)域包含柱狀 α-Fe 晶粒，具有典型的優(yōu)先 <001> α 取向。多個同素異形體轉(zhuǎn)變由原位本征熱處理觸發(fā)（主要是多層滲透正火、全層滲透臨界間退火和長時間回火的組合，即 NIT）。因此，當凈高不大于受前一層沉積影響的細晶粒區(qū)的寬度，每個新層中的微觀結(jié)構(gòu)可以逐漸細化和均勻化。因此，中間區(qū)主要由完全等軸的 α-Fe 組成，并顯示出沿構(gòu)建方向的均質(zhì)特性。在全層 NIT 處理期間，珠光體略微球化，尺寸（從 4 μm 到 2 μm）和面積分數(shù)（從~5% 到~1%）都減小，從而減輕了裂紋敏感性. 此外，不僅晶內(nèi)位錯顯著減少，而且其形態(tài)也從纏結(jié)線演變?yōu)榭梢苿泳�。這些變化，連同更細的晶粒和大角度晶界的形成，導致 α-Fe 基體中的內(nèi)部應變更低且更分散。因此，實現(xiàn)了優(yōu)異的夏比韌性（在-60 °C 時超過 300 J），并且強度下降最小。沖擊、拉伸和硬度測試顯示出幾乎各向同性的機械特性。我們相信這種新方法在大規(guī)模增材制造中顯示出巨大的前景。

金屬增材制造(AM) 因其能夠在包括航空航天、汽車、核能和醫(yī)療在內(nèi)的工程行業(yè)中實現(xiàn)復雜的近凈形狀部件而引起了極大的興趣。作為一種逐層制造方法，該技術(shù)迅速發(fā)展，重點關(guān)注制造方法的創(chuàng)新——即實現(xiàn)更高的沉積速率、更好的表面光潔度以及加工具有定制機械性能或更大尺寸的部件的能力規(guī)模。

基于最初在 1990 年代獲得專利的粉末輸送方法，金屬 AM 方法可分為兩大類：粉末床融合（例如，選擇性激光熔化(SLM)、電子束熔化）或定向能量沉積（例如，激光金屬沉積（LMD））。SLM 方法需要具有高能量密度和精確控制的熱源（通常是精心設(shè)計的鏡面控制激光器）來局部熔化預置粉末。由于熔池小，凝固率高， 可以獲得較高的表面光潔度和復雜的幾何結(jié)構(gòu)。因為高附加值的原料（如鈦合金、鎳合金和高熵合金）被普遍使用，可以顯著降低多余的材料成本，從而形成一種具有良好經(jīng)濟平衡的環(huán)保技術(shù)。然而，低沉積速率（高達 50 g/h）和只能生產(chǎn)小產(chǎn)品的能力阻礙了 SLM 方法的更廣泛應用。雖然通過 LMD 可以實現(xiàn)更高的沉積速率 (480-900 g/h[4])，但在這種非致密粉末輸送技術(shù)中，諸如微裂紋和孔隙率等缺陷是不可避免的。這些缺陷是造成 LMD 產(chǎn)品性能限制的原因。

在線弧增材制造WAAM 中，應用線弧系統(tǒng)來制造更致密的組件。因此，增加的沉積速率與制造大規(guī)模、完全致密組件的能力相結(jié)合，使 WAAM 比其他粉末輸送技術(shù)更具優(yōu)勢。然而，仍然存在一些挑戰(zhàn)。這些包括不令人滿意的機械性能和由冶金問題引起的各向異性、表面質(zhì)量差、殘余應力和變形。

受傳統(tǒng)熱處理和其他成型制造方法的啟發(fā)，許多WAAM 技術(shù)在后處理過程中結(jié)合了上述一些工藝，即加熱、加壓或兩者兼而有之，以消除傳統(tǒng) AM 的一些缺點，例如孔隙率和各向異性. 鑒于存在許多先前的 β 晶界，這些晶界提供了較弱的結(jié)合力和沿水平方向的裂紋萌生源，眾所周知，WAAMed Ti 合金組件在水平方向上的塑性比在垂直方向上的塑性弱。WAAMed Ti 合金的這種各向異性被認為會降低機械性能，從而阻礙其功能。

在此，天津大學程方杰教授團隊首次提出了一種新型SAAM 技術(shù)，該技術(shù)能夠高效制造具有各向同性等軸微結(jié)構(gòu)的大型、完全致密的部件。由于 IHT 具有全層滲透，這種方法不僅避免了昂貴的后處理處理，而且還可以原位調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)。 低碳鋼除了是最常見且需求無限的工程材料外，還擁有最簡單的鐵素體-珠光體相系統(tǒng)，被認為最適合研究微觀結(jié)構(gòu)演變和揭示SAAM固有的原位IHT 本質(zhì)過程。因此，采用 AWS EM12K 級埋弧焊 (SAW) 鋼作為焊絲原料在這個研究中。我們調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)和避免后處理的方法與其他 AM 方法不同。此外，靈活的軌道和復雜的幾何可訪問性是 SAAM 的顯著優(yōu)勢，確保組件的性能可以與通過傳統(tǒng)方法制造的組件相媲美。因此，這種新方法對于大規(guī)模制造具有巨大的前景。相關(guān)研究成果以題“Submerged arc additive manufacturing (SAAM) of low-carbon steel: Effect of in-situ intrinsic heat treatment (IHT) on microstructure and mechanical properties”發(fā)表在增材頂刊 Additive Manufacturing上。

論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... 86042100289X#ec0005

由于同素異形相變，SAAM組件頂部的典型優(yōu)先 <001>α 柱狀微觀結(jié)構(gòu)（尺寸為 46.8 ± 21.7 μm）在熱源移動時轉(zhuǎn)變?yōu)榫�細的等軸均質(zhì)結(jié)構(gòu)（尺寸為 10.1 ± 4.2 μm）逐漸向上。完整的 CET 需要至少四個連續(xù)的 RH。由于沉積的高寬高比、高熱輸入和高層間溫度，SAAM 部件中每一層的熱歷史與通過其他 AM 方法生產(chǎn)的部件顯著不同。當凈珠高不超過閾值（即前一沉積層中FGHAZ的寬度）時，每個新層中的微觀結(jié)構(gòu)都可以通過獨特的原位全層穿透 IHT細化和均勻化。否則，形成間距約為 1.7 層的 HAZ 帶。幸運的是，高斷裂伸長率值和平滑的應力-應變曲線表明 HAZ 帶對機械性能的影響微不足道。

圖1 (a) 三維SAAM平臺；(b) 包含SAW設(shè)備（電極絲、送絲電機、焊劑料斗和 SAW 焊炬）的可編程 z 軸的特寫視圖；(c) SAAM 的示意圖和溫度測量點的位置（未顯示通量壩）；(d) 掃描策略和 SAAM-EM12K 鋼制造方向。

由于形成了含有非常低體積分數(shù)的分散滲碳體相的軟化、均質(zhì)的SRF 基體，因此制造了一個 SAAM 低碳鋼部件，其UTS和 ɛ 為 454 MPa，水平方向為 29.8%，441 MPa和垂直方向分別為 35.6% 和 35.6%，維氏硬度約為 148 HV。拉伸、夏比沖擊和維氏硬度測試表明機械各向同性。輕微球化滲碳體、可動線型位錯、細晶粒和 HAGB 的形成顯著降低和分散了 α-Fe 基體中的內(nèi)部應變，從而產(chǎn)生了優(yōu)異的延展性和沖擊韌性（~ 300 J at −  60 °C，T DBTT : −  100 °C 至 −  102 °C)。

圖2 (a)從柱狀晶粒區(qū) (CGZ) 到均質(zhì)區(qū)（由右上角的橙色框表示）的SAAM結(jié)構(gòu)的光學顯微照片。(b) 晶粒尺寸隨相對高度的變化。(c、d、e和f)是a中用'c'、'd'、'e'和'f'標記的選定區(qū)域的放大SEM顯微照片；(g) 是 f 中用“g”標記的區(qū)域的放大 SEM 顯微照片。

圖3 距SAAM組件頂部 (a) 6 mm、(b) 30 mm 和 (c) 50 mm 處 P 的SEM顯微照片。（d 和 e）分別是a 和 c 中標記為“d”、“e”的區(qū)域的放大 TEM顯微照片。(f) 示意圖顯示了 P 的測試位置，以及相應的尺寸和面積分數(shù)。

圖 4 (a) 反極圖 (IPF)，(b)錯位圖，(c) 核平均錯位 (KAM) 顏色圖，(d) 指示測試位置的示意圖（距頂部 4 mm），（e）錯位角分布, (f) KAM 分布。

圖 5 (a) 反極圖 (IPF)，(b)錯位圖，(c) 核平均錯位 (KAM) 顏色圖，(d) 指示測試位置的示意圖（距頂部 50 mm），（e）錯位角分布, (f) KAM 分布。

圖 6 （a）CGZ（無RH）和（b）均質(zhì)區(qū)（36倍RH）的位錯形態(tài)。

圖 7 原位IHT過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變示意圖（a）整體視圖和（b）NIT 作用下的相變。

圖8 SAAM樣品在垂直和水平方向的應力-應變曲線。插圖顯示了相應的光學顯微照片，其中 α-Fe 在垂直和水平方向上均等軸呈現(xiàn)。