華南理工大學(xué)&廣東省科學(xué)院等單位頂刊：電弧增材制造超級(jí)雙相不銹鋼的各向異性行為

來源： WAAM電弧增材

超級(jí)雙相不銹鋼因其潛在的耐腐蝕合金特性而正在被廣泛研究，由于其微觀結(jié)構(gòu)中含有幾乎相等比例的鐵素體和奧氏體，它們具有非常有利的機(jī)械性能和耐腐蝕性能的結(jié)合。迄今為止，SDSS的卓越性能使其在海洋和石化應(yīng)用中引起了極大的興趣。目前，大多數(shù)具有復(fù)雜幾何形狀的大型SDSS部件是使用傳統(tǒng)鑄造法制造的。

然而，由于SDSS中合金元素含量高，鑄造存在的問題是生產(chǎn)周期長(zhǎng),為了克服這個(gè)問題，有必要研究新的制造方法，電弧增材制造在生產(chǎn)形狀復(fù)雜的近乎凈成形金屬部件方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)，除了其可比的成型性，WAAM的期望優(yōu)勢(shì)包括高沉積速率和低材料及設(shè)備成本，這些促使WAAM成為替代大型鍛件或?qū)嵭呐髁弦约爸行⌒蛷?fù)雜部件傳統(tǒng)制造技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。WAAM工藝非常適合于多種合金，包括Ti6Al4V合金、不銹鋼、高熵合金以及許多其他關(guān)鍵工程合金，關(guān)于WAAM制造的SDSS，已經(jīng)確認(rèn)了機(jī)械性能的各向異性，但各向異性機(jī)制不一致。此外，腐蝕機(jī)制仍然未知，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)、晶體特征、機(jī)械性能和耐蝕性之間關(guān)系的更清晰的理解，可以為優(yōu)化WAAM工藝提供啟示。

近日，華南理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與陽江市中烏巴頓技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)，廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所及澳門大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，在材料科學(xué)1區(qū)top期刊journal of materials research and technology(jmr&t)上發(fā)表了題為"Anisotropic behavior of super duplex stainless steel fabricated by wire arc additive manufacturing"的研究論文，本研究的目的是通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡研究電弧增材制造SDSS 薄壁部件的機(jī)械性能、耐腐蝕性、微觀結(jié)構(gòu)和晶體學(xué)特征之間的各向異性行為、電子背散射衍射、X射線衍射、硬度測(cè)試、拉伸測(cè)試和電化學(xué)腐蝕測(cè)試。同時(shí)，還研究了由商業(yè)熱軋 SAF 2507 SDSS 制備的對(duì)照樣品組進(jìn)行比較，全面研究了WAAM制造的SDSS薄壁部件在構(gòu)建方向平行和垂直方向上的機(jī)械性能和耐蝕行為。通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、背散射電子、能量色散光譜和電子背散射衍射對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。為了評(píng)估機(jī)械性能和耐蝕行為，從WAAM制造的SDSS薄壁中制備了垂直和平行于構(gòu)建方向的樣品。同時(shí)，作為對(duì)照樣品，也研究了商用熱軋SAF 2507 SDSS，這些發(fā)現(xiàn)為理解WAAM制造的SDSS的各向異性特性機(jī)制提供了見解，這將為未來WAAM工藝的改進(jìn)提供新的視角。

圖1- (a) CMT-WAAM工藝的示意圖和 (b) 薄壁SDSS部件

圖2- (a) 樣品的X射線衍射（XRD）譜圖和 (b) (200)衍射峰的放大圖

圖3- WAAM制造的SDSS中g(shù)2相的透射電子顯微鏡（TEM）圖像以及相應(yīng)的能譜（EDS）元素圖（Cr、Fe、Mo、N、Mn）

圖4- (a) WAAM-XY的相圖，(b) WAAM-XZ的相圖，(c) 熱軋SDSS的相圖，以及 (d) WAAM-XY，(e) WAAM-XZ 和 (f) 熱軋SDSS的晶粒尺寸分布圖

圖5- 不同樣品的顯微硬度

圖7- (a) 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和 (b) 樣品的屈服強(qiáng)度（YS）、抗拉強(qiáng)度（UTS）和伸長(zhǎng)率值

圖8- 不同樣品的斷口表面掃描電子顯微鏡（SEM）顯微照片：(a, d, g) WAAM-XY，(b, e, h) WAAM-XZ 和 (c, f, i) 熱軋SDSS

圖9- 在3.5%氯化鈉溶液中不同樣品的點(diǎn)蝕試驗(yàn)（CPP測(cè)試）

圖10- 在點(diǎn)蝕試驗(yàn)（CPP測(cè)試）后不同樣品的掃描電子顯微鏡（SEM）顯微照片：(a) WAAM-XY，(b) WAAM-XZ，(c) 熱軋SDSS

圖11- (a) WAAM制造的SDSS中夾雜物的透射電子顯微鏡（TEM）圖像以及相應(yīng)的硅（Si）、錳（Mn）和氧（O）的能譜（EDS）元素圖， (b) CPP試驗(yàn)后WAAM制造的SDSS的點(diǎn)蝕起始位置

圖12- 不同樣品的電化學(xué)阻抗譜（EIS）結(jié)果：(a) 奈奎斯特圖，(b) 波特圖，(c) WAAM-XY和WAAM-XZ的等效電路，以及 (d) 熱軋SDSS的等效電路

圖13- (a) WAAM-XY和(b) WAAM-XZ的晶界特性，以及(c) WAAM-XY和(d) WAAM-XZ的谷物取向差（GOS）圖

關(guān)鍵結(jié)論

在當(dāng)前研究中，探討了WAAM制造的SDSS的機(jī)械性能和耐蝕行為的各向異性。主要結(jié)論如下：

1) 在WAAM制造的SDSS中觀察到顯著的微觀結(jié)構(gòu)各向異性（柱狀晶粒形態(tài)的各向異性），這歸因于WAAM過程中的熱循環(huán)和部分重熔。

2) 與熱軋SDSS相比，WAAM制造的SDSS具有更高的鐵素體相體積分?jǐn)?shù)和更小的晶粒尺寸，這可能是其顯微硬度更高的貢獻(xiàn)因素。

3) WAAM制造的SDSS的拉伸性能的特有各向異性，是由于在WAAM過程中SDSS的沉積期間高溫柱狀晶粒的外延生長(zhǎng)，以及(200)晶面的取向比例差異和不平衡的相比例。

4) 盡管WAAM-XY樣品具有最不平衡的相比例（奧氏體：鐵素體約為3:7），但其在活化狀態(tài)下具有最高的耐蝕性。這主要是由于晶界特性和晶粒取向分布對(duì)WAAM制造的SDSS的耐蝕性有顯著影響，與平衡相比例相比。

5) 與熱軋樣品相比，WAAM制造的SDSS的點(diǎn)蝕耐蝕性較差，根據(jù)低的擊穿電位判斷，并且WAAM制造的SDSS的再鈍化能力顯著惡化，這從較低的Epr - Ecorr值反映出來。在鈍化狀態(tài)下較低的點(diǎn)蝕耐蝕性和較低的再鈍化能力可能與WAAM制造的SDSS中的夾雜物密切相關(guān)。


通訊作者
邱文豐，現(xiàn)任華南理工大學(xué)教授，曾任中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員，清華大學(xué)化學(xué)系博士后，曾為韓國(guó)埔項(xiàng)工科大學(xué)化學(xué)系博士后；中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所博士。研究方向: 聚合物陶瓷前驅(qū)體與高性能復(fù)合材料樹脂基體的設(shè)計(jì)、合成、工程化制備及應(yīng)用研究，開展雜化功能材料及聚合物陶瓷前驅(qū)體制備先進(jìn)陶瓷材料的研究。主要業(yè)績(jī): 迄今發(fā)表文章40多篇，曾主持/參與多項(xiàng)國(guó)防重大項(xiàng)目。多年來從事聚合物陶瓷前驅(qū)體與特種樹脂材料的研發(fā)、應(yīng)用，完成鋯基、鉿基、鉭基、氧化鋁、莫來石等聚合物陶瓷前驅(qū)體的研制，應(yīng)用于耐超高溫/高溫陶瓷基復(fù)合材料制備，并開拓聚合物陶瓷前驅(qū)體在特種陶瓷纖維、注射成型、特種陶瓷涂層等方面的應(yīng)用。


論文引用
Xianhang Huang, Chi Tat Kwok, Ben Niu, Jiangling Luo, Xiaodong Zou, Yi Cao, Jianglong Yi, Linlin Pan, Wenfeng Qiu,Xueying Zhang. Anisotropic behavior of super duplex stainless steel fabricated by wire arc additive manufacturing: journal of materials research and technology 2023;27:1651 e1664

DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.10.005