《Acta Materialia》：​電子束增材制造修復316L不銹鋼的動態(tài)性能

來源：材料科學與工程

增材制造是一項快速發(fā)展的技術，它依靠連續(xù)的材料沉積來制造或修改具有復雜幾何形狀的零件。這使得AM非常適合需要少量此類部件或具有特殊性能的應用，例如航空航天和國防部門的原型和新產品開發(fā)。使用AM技術修復現(xiàn)有部件避免了許多突出的痛點(如低生產量和高啟動成本)，并引入了幾個關鍵優(yōu)勢(如材料類型和修復形狀的多功能性)。此外，與傳統(tǒng)的修復方法(如弧焊)相比，一些AM技術在集成傳感和控制方面和較低的熱輸入方面具有優(yōu)勢，從而導致較小的熱影響區(qū)。雖然，增材制造有可能用于高價值零件的修復，但這種修復零件的強度和完整性（特別是在動態(tài)載荷下）仍然未知。

來自美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的學者介紹了電子束增材制造修復316L不銹鋼的動態(tài)性能。其中，316L樣品被故意損壞，隨后用308L不銹鋼絲通過電子束添加劑制造進行修復。對修復后的樣品進行氣槍沖擊試驗，以誘導早期損傷，并確定修復區(qū)域在指示損傷和失效中所起的作用。結果表明：1)修復區(qū)的狀態(tài)方程與原始材料相似，表現(xiàn)為層裂平面位置不變；2)變形行為與原始材料相似，表現(xiàn)為相似的Hugoniot彈性極限；3)修復區(qū)的層裂強度因晶粒度不同而略高于原始材料；4)修復區(qū)的損傷形態(tài)不同，空洞聚結率較高。盡管層裂強度和損傷形態(tài)上有這些微小的差異，但原始材料和修復后的樣品的整體動態(tài)響應相似，這表明AM是修復高價值部件的一種有前途的方法。相關文章以“Dynamic properties of 316l stainless steel repaired using electron beam additive manufacturing”標題發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118636

圖1.樣品制備過程：a)人工損傷鍛造316L不銹鋼試件的示意圖和按比例繪制的深度為d的銑槽試件。b)電子束附加制造修復工藝，采用送絲308L修復材料和EBAM修復后的板材照片。c)機加工樣品以不同的顏色顯示修復區(qū)域，以保證修復區(qū)域的清晰度，橫斷面圖中顯示錐度，虛擬TX虛擬厚度TT如圖所示；樣品放置在靶架組件中并進行拋光，以確保平坦度和平行面。

圖2.原始鍛造316L不銹鋼和電子束添加劑制造的線材308L不銹鋼材料的表征：電子背散射衍射顯微照片顯示了修復(上行)和鍛造(下行)材料中的晶粒度和取向(右列)和相組成(左列)。

圖3. 增材制造(AM)修復區(qū)域的動態(tài)強度與原始鍛造區(qū)域(WR)對比：由于修復深度的不同，樣品A和B在原始材料(橙色背景)中發(fā)生內部損傷，樣品E和F在AM修復材料中發(fā)生損傷(綠色背景)，樣品C和D的損傷擴散到兩個區(qū)域(漸變背景)。層裂強度用星形(左垂直軸)表示，Hugoniot彈性極限(HEL)用圓(右垂直軸)表示。與鍛造材料相比，修復區(qū)域顯示出更高的層裂強度。

圖4.光學顯微鏡圖像：每個試件的頂面為沖擊面，原始鍛造材料顏色較淺，修復區(qū)域較暗，呈現(xiàn)鱗片狀圖案。在每個樣品的中心有明顯的層裂平面，右邊的圖表顯示了矩形框所示區(qū)域在垂直方向上的凈損傷。

圖5.原始鍛造材料(左)和AM修復材料(右)中發(fā)生的早期層裂損傷的電子背散射衍射圖。

圖6.與AM修復材料相比，原始鍛造材料中空洞的形成是由于鍛造材料中的大量晶界充當許多較小圓形空洞的形核位置，而AM材料中缺乏晶界會導致晶內空洞生長和通過晶粒合并。

本研究制備了一系列316L不銹鋼樣品，加工區(qū)域的人工損傷深度從0.0-2.0 mm不等，然后用送絲電子束添加劑制造進行修復。修復后的樣品用氣槍發(fā)射的飛片受到高應變率的沖擊，并用光子多普勒測速儀測量樣品的速度。根據(jù)本研究的結果，這項工作中使用的EBAM技術是進行修復的一個有前途的選擇。未來的研究工作可能集中在替代的工藝參數(shù)或修復后處理，以實現(xiàn)更均勻的顆粒結構，并更好地匹配修復的行為與原始材料。（文：SSC）