電弧熔絲增材制造大型高強(qiáng)度壓力容器的組織、性能和商業(yè)化

來源： 洞察金屬增材制造

據(jù)報(bào)道，來自芬蘭的團(tuán)隊(duì)成功利用了電弧熔絲增材制造（WAAM）工藝打印了一個(gè)重達(dá)300 kg的高強(qiáng)度316L不銹鋼壓力容器[1]。該容器高達(dá)1600  mm，直徑為900 mm，在石油和天然氣行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)不僅對(duì)壓力容器進(jìn)行了滲透無損檢測，還對(duì)材料和基于幾何結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了測試。通過對(duì)比打印成品和CAD模型，確定了尺寸精確度平均在2毫米左右。壓力容器僅在10倍的設(shè)計(jì)運(yùn)行壓強(qiáng)下才出現(xiàn)損壞。該成果足以證明電弧熔絲增材制造工藝能夠用于生產(chǎn)高性能的大尺寸部件。

壓力容器的機(jī)械性能

壓力容器的設(shè)計(jì)運(yùn)行壓強(qiáng)是10巴，該數(shù)值已將安全系數(shù)考慮進(jìn)去了。初步的計(jì)算結(jié)果預(yù)測斷裂會(huì)發(fā)生在90巴左右。值得注意的是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，部件一般要求在1.5倍的運(yùn)行壓強(qiáng)下進(jìn)行測試。

在壓強(qiáng)測試中，科研人員將水抽入容器中，并對(duì)容器最寬部分的直徑進(jìn)行監(jiān)測。在66巴時(shí)，沒有觀測到明顯的變化；當(dāng)壓強(qiáng)增加到80巴以上時(shí)，容器的形狀開始嚴(yán)重變形。最終，在111巴時(shí)，觀測到水從容器腿部附近的一個(gè)裂紋中泄漏。此時(shí)，容器的直徑擴(kuò)展了7%。研究人員使用焊接技術(shù)對(duì)裂縫進(jìn)行了修補(bǔ)，并對(duì)容器進(jìn)行二次測試。結(jié)果，斷裂再次發(fā)生在腿部區(qū)域。這表明了腿部區(qū)域是一個(gè)結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，并且第一次的斷裂并不是由制造錯(cuò)誤引起。

△重達(dá)300 kg的高強(qiáng)度壓力容器，圖源：[1]

微觀組織

盡管在WAAM工藝材料中會(huì)經(jīng)歷快速凝固和本征循環(huán)加熱的物理冶金過程，但是，打印過程中的熱歷史卻與其它基于熔化的增材制造工藝有所區(qū)別。因此，材料內(nèi)部的微觀組織和打印件的機(jī)械性能也具有一定的獨(dú)特性。

先前的研究成果[2]表明，隨著打印層離基板的距離增加，因?yàn)闊崃康姆e累和循環(huán)加熱會(huì)變得越來越明顯，所以冷卻速率隨著打印高度的增加而下降。在低或中等的冷卻速率下，打印件的組織由δ-鐵素體和奧氏體組成；而在高冷卻速率下，σ相（CrFe）會(huì)和δ-鐵素體和奧氏體一起出現(xiàn)在組織中�；�于熱力學(xué)理論，在600-900 ℃之間，σ相會(huì)在鐵素體和奧氏體的界面析出。一旦溫度高于1050 ℃時(shí)，σ相則會(huì)逐漸溶解在奧氏體基體里。在打印件頂部區(qū)域，盡管冷卻速率低，但是溫度超過1050 ℃的時(shí)間仍然較短，所以σ相并沒有完全溶解在奧氏體基體里。

隨著冷卻速率的下降，δ鐵素體的含量會(huì)增加，比如從14.5%，到16.2%和17.3%。另外，高能量輸入會(huì)增加熱量的積累，晶粒有了更多的時(shí)間生長，從而導(dǎo)致初生枝晶間距的增加。

拉伸試樣的機(jī)械性能
打印件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在330 MPa和550 MPa左右（見下圖）。與鍛造的316L鋼相比，兩者的屈服強(qiáng)度相當(dāng)，但是前者的抗拉強(qiáng)度（鍛造情況下在600 MPa左右[3]）偏低。通過分析斷口形貌，總結(jié)出主要的斷裂機(jī)理是在拉伸的過程中，由于應(yīng)力集中，微空洞在δ鐵素體的附近處形核并聚集成尺寸更大的缺陷而引起韌性斷裂。

△拉伸曲線，圖源：[2]

商業(yè)化應(yīng)用的挑戰(zhàn)
從設(shè)備角度來看，WAAM工藝所需的設(shè)備非常簡單，包括自動(dòng)焊接單元和電源。因此，許多在金屬行業(yè)的公司本身就擁有這些設(shè)施。但是，增材制造的壓力容器不會(huì)立馬出現(xiàn)在市場上，因?yàn)檫�沒有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)。壓力容器必須符合壓力設(shè)備的相關(guān)指令，而歐洲標(biāo)準(zhǔn)正處于組建和承力工作小組的階段。這意味著若干年后才會(huì)有設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。

作者評(píng)注：在使用WAAM工藝時(shí)，由于冷卻速率和熱量積累沿構(gòu)建高度存在一定的區(qū)別，用戶應(yīng)考慮到對(duì)應(yīng)不同材料的相變特性可能會(huì)存在微觀組織沿構(gòu)建高度不均勻性的現(xiàn)象。