電弧增材制造制備功能梯度材料Alloy 82/AISI 304L的微觀結(jié)構(gòu)與機械性能研究!

來源：焊接科學

2024年12月20日，韓國科學技術(shù)院核與量子工程系的研究團隊在《Materials Today Communications》期刊發(fā)表最新研究文章“Microstructure and mechanical properties of functionally graded materials alloy 82 / AISI 304L by employing WAAM”，研究了基于氣體鎢極電弧焊（GTAW）技術(shù)的電弧增材制造（WAAM）工藝制備Alloy 82/AISI 304L功能梯度材料（FGMs）墻體的微觀結(jié)構(gòu)與機械性能。

研究人員系統(tǒng)分析了FGMs墻體的微觀結(jié)構(gòu)、化學組成、晶粒尺寸及力學性能。結(jié)果表明，Alloy 82區(qū)域顯示出細柱狀和胞狀枝晶，而AISI 304L區(qū)域則具有板條狀δ鐵素體。拉伸實驗顯示，F(xiàn)GMs墻體的極限抗拉強度和屈服強度分別為565 MPa和321 MPa，斷裂發(fā)生在AISI 304L區(qū)域，并表現(xiàn)出韌性失效模式。

實驗方法
研究采用GTAW工藝，以Alloy 82和AISI 304L填充焊絲（直徑1.2 mm）為原材料，制備FGMs墻體，基板為厚度10 mm的304L鋼板。關(guān)鍵工藝參數(shù)包括：電流140 A，電壓13-15 V，焊槍移動速度120 mm/min，保護氣體為純氬氣（99.99%），流量20 L/min，層間溫度控制在150°C，每層厚度約0.9 mm，最終墻體尺寸為70 mm × 55 mm × 5 mm。通過光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）和EBSD技術(shù)對FGMs墻體的微觀結(jié)構(gòu)進行表征，同時使用維氏硬度計和拉伸試驗評估機械性能。

圖1. 采用GTAW技術(shù)制造的AISI 304L和Alloy 82功能梯度材料（FGMs）WAAM墻的CAD示意圖以及樣品的提取.

圖2. (a) 開發(fā)的FGMs WAAM墻的宏觀圖；(b) AISI 304L的顯微結(jié)構(gòu)，(c) 界面區(qū)域，以及 (d) Alloy 82的顯微結(jié)構(gòu).

圖3. 通過GTAW WAAM制造的AISI 304L沉積區(qū)域的SEM-EDS分析.

圖4. FGMs AISI 304L和Alloy 82 WAAM界面區(qū)域的SEM-EDS線掃描分析.

圖5. 通過GTAW WAAM沉積的Alloy 82區(qū)域的SEM-EDS線掃描分析.

圖6. AISI 304L沉積的EBSD分析，顯示 (a) FCC和BCC相分析 (b) KAM映射和 (C) Schmid因子.

圖7. AISI 304L沉積的EBSD分析，顯示取向分布函數(shù)（ODF）.

圖8. AISI 304L沉積的EBSD分析，顯示 (a) 逆極圖，(b) 晶粒尺寸設(shè)置，和 (C) 晶粒失配角.

圖9. FGMs WAAM界面區(qū)域的EBSD分析，顯示 (a) 逆極圖 (IPF)，(b) Schmid因子 (SF)，(c) 核心平均失配 (KAM)，和 (d) 晶粒失配角.

圖10. 硬度剖面圖，顯示從Alloy 82到304L側(cè)FGMs WAAM硬度的變化.

圖11. 顯示 (a) 拉伸試驗照片及其斷口形貌和 (b) Charpy V缺口試驗照片及其斷口形貌.

論文總結(jié)
FGMs墻體成功實現(xiàn)了Alloy 82與AISI 304L的界面結(jié)合，無明顯裂紋與孔隙缺陷；
AISI 304L區(qū)域顯示δ鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，Alloy 82區(qū)域主要由柱狀枝晶組成，界面區(qū)域具有混合晶界；
Alloy 82區(qū)域硬度更高，約為234 HV，而AISI 304L區(qū)域硬度為186 HV，硬度呈現(xiàn)沿沉積方向遞減趨勢；
FGMs墻體的抗拉強度為565 MPa，屈服強度為321 MPa，伸長率為23%，斷裂發(fā)生在AISI 304L區(qū)域；
FGMs墻體在界面區(qū)域的韌性較低，為33 J，主要受低角度與高角度晶界（LAGBs與HAGBs）以及碳化物析出的影響。

論文地址：https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.111399