天津大学增材顶刊：埋弧增材制造各向同性大型、高性能、致...

来源：材料学网

导读：本文研究了一种用高效埋弧等离子体代替热源的新型线弧增材制造方法的有效性。即埋弧增材制造。通过确保完整的柱状到等轴状转变，可以在大部分大型低碳钢部件中获得各向同性的微观结构。我们发现沉积态组件的顶部区域包含柱状 α-Fe 晶粒，具有典型的优先 <001> α 取向。多个同素异形体转变由原位本征热处理触发（主要是多层渗透正火、全层渗透临界间退火和长时间回火的组合，即 NIT）。因此，当净高不大于受前一层沉积影响的细晶粒区的宽度，每个新层中的微观结构可以逐渐细化和均匀化。因此，中间区主要由完全等轴的 α-Fe 组成，并显示出沿构建方向的均质特性。在全层 NIT 处理期间，珠光体略微球化，尺寸（从 4 μm 到 2 μm）和面积分数（从~5% 到~1%）都减小，从而减轻了裂纹敏感性. 此外，不仅晶内位错显著减少，而且其形态也从缠结线演变为可移动线。这些变化，连同更细的晶粒和大角度晶界的形成，导致 α-Fe 基体中的内部应变更低且更分散。因此，实现了优异的夏比韧性（在-60 °C 时超过 300 J），并且强度下降最小。冲击、拉伸和硬度测试显示出几乎各向同性的机械特性。我们相信这种新方法在大规模增材制造中显示出巨大的前景。

金属增材制造(AM) 因其能够在包括航空航天、汽车、核能和医疗在内的工程行业中实现复杂的近净形状部件而引起了极大的兴趣。作为一种逐层制造方法，该技术迅速发展，重点关注制造方法的创新——即实现更高的沉积速率、更好的表面光洁度以及加工具有定制机械性能或更大尺寸的部件的能力规模。

基于最初在 1990 年代获得专利的粉末输送方法，金属 AM 方法可分为两大类：粉末床融合（例如，选择性激光熔化(SLM)、电子束熔化）或定向能量沉积（例如，激光金属沉积（LMD））。SLM 方法需要具有高能量密度和精确控制的热源（通常是精心设计的镜面控制激光器）来局部熔化预置粉末。由于熔池小，凝固率高， 可以获得较高的表面光洁度和复杂的几何结构。因为高附加值的原料（如钛合金、镍合金和高熵合金）被普遍使用，可以显着降低多余的材料成本，从而形成一种具有良好经济平衡的环保技术。然而，低沉积速率（高达 50 g/h）和只能生产小产品的能力阻碍了 SLM 方法的更广泛应用。虽然通过 LMD 可以实现更高的沉积速率 (480-900 g/h[4])，但在这种非致密粉末输送技术中，诸如微裂纹和孔隙率等缺陷是不可避免的。这些缺陷是造成 LMD 产品性能限制的原因。

在线弧增材制造WAAM 中，应用线弧系统来制造更致密的组件。因此，增加的沉积速率与制造大规模、完全致密组件的能力相结合，使 WAAM 比其他粉末输送技术更具优势。然而，仍然存在一些挑战。这些包括不令人满意的机械性能和由冶金问题引起的各向异性、表面质量差、残余应力和变形。

受传统热处理和其他成型制造方法的启发，许多WAAM 技术在后处理过程中结合了上述一些工艺，即加热、加压或两者兼而有之，以消除传统 AM 的一些缺点，例如孔隙率和各向异性. 鉴于存在许多先前的 β 晶界，这些晶界提供了较弱的结合力和沿水平方向的裂纹萌生源，众所周知，WAAMed Ti 合金组件在水平方向上的塑性比在垂直方向上的塑性弱。WAAMed Ti 合金的这种各向异性被认为会降低机械性能，从而阻碍其功能。

在此，天津大学程方杰教授团队首次提出了一种新型SAAM 技术，该技术能够高效制造具有各向同性等轴微结构的大型、完全致密的部件。由于 IHT 具有全层渗透，这种方法不仅避免了昂贵的后处理处理，而且还可以原位调整微观结构。 低碳钢除了是最常见且需求无限的工程材料外，还拥有最简单的铁素体-珠光体相系统，被认为最适合研究微观结构演变和揭示SAAM固有的原位IHT 本质过程。因此，采用 AWS EM12K 级埋弧焊 (SAW) 钢作为焊丝原料在这个研究中。我们调整微观结构和避免后处理的方法与其他 AM 方法不同。此外，灵活的轨道和复杂的几何可访问性是 SAAM 的显着优势，确保组件的性能可以与通过传统方法制造的组件相媲美。因此，这种新方法对于大规模制造具有巨大的前景。相关研究成果以题“Submerged arc additive manufacturing (SAAM) of low-carbon steel: Effect of in-situ intrinsic heat treatment (IHT) on microstructure and mechanical properties”发表在增材顶刊 Additive Manufacturing上。

论文链接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... 86042100289X#ec0005

由于同素异形相变，SAAM组件顶部的典型优先 <001>α 柱状微观结构（尺寸为 46.8 ± 21.7 μm）在热源移动时转变为精细的等轴均质结构（尺寸为 10.1 ± 4.2 μm）逐渐向上。完整的 CET 需要至少四个连续的 RH。由于沉积的高宽高比、高热输入和高层间温度，SAAM 部件中每一层的热历史与通过其他 AM 方法生产的部件显着不同。当净珠高不超过阈值（即前一沉积层中FGHAZ的宽度）时，每个新层中的微观结构都可以通过独特的原位全层穿透 IHT细化和均匀化。否则，形成间距约为 1.7 层的 HAZ 带。幸运的是，高断裂伸长率值和平滑的应力-应变曲线表明 HAZ 带对机械性能的影响微不足道。

图1 (a) 三维SAAM平台；(b) 包含SAW设备（电极丝、送丝电机、焊剂料斗和 SAW 焊炬）的可编程 z 轴的特写视图；(c) SAAM 的示意图和温度测量点的位置（未显示通量坝）；(d) 扫描策略和 SAAM-EM12K 钢制造方向。

由于形成了含有非常低体积分数的分散渗碳体相的软化、均质的SRF 基体，因此制造了一个 SAAM 低碳钢部件，其UTS和 ɛ 为 454 MPa，水平方向为 29.8%，441 MPa和垂直方向分别为 35.6% 和 35.6%，维氏硬度约为 148 HV。拉伸、夏比冲击和维氏硬度测试表明机械各向同性。轻微球化渗碳体、可动线型位错、细晶粒和 HAGB 的形成显着降低和分散了 α-Fe 基体中的内部应变，从而产生了优异的延展性和冲击韧性（~ 300 J at −  60 °C，T DBTT : −  100 °C 至 −  102 °C)。

图2 (a)从柱状晶粒区 (CGZ) 到均质区（由右上角的橙色框表示）的SAAM结构的光学显微照片。(b) 晶粒尺寸随相对高度的变化。(c、d、e和f)是a中用'c'、'd'、'e'和'f'标记的选定区域的放大SEM显微照片；(g) 是 f 中用“g”标记的区域的放大 SEM 显微照片。

图3 距SAAM组件顶部 (a) 6 mm、(b) 30 mm 和 (c) 50 mm 处 P 的SEM显微照片。（d 和 e）分别是a 和 c 中标记为“d”、“e”的区域的放大 TEM显微照片。(f) 示意图显示了 P 的测试位置，以及相应的尺寸和面积分数。

图 4 (a) 反极图 (IPF)，(b)错位图，(c) 核平均错位 (KAM) 颜色图，(d) 指示测试位置的示意图（距顶部 4 mm），（e）错位角分布, (f) KAM 分布。

图 5 (a) 反极图 (IPF)，(b)错位图，(c) 核平均错位 (KAM) 颜色图，(d) 指示测试位置的示意图（距顶部 50 mm），（e）错位角分布, (f) KAM 分布。

图 6 （a）CGZ（无RH）和（b）均质区（36倍RH）的位错形态。

图 7 原位IHT过程中的微观结构演变示意图（a）整体视图和（b）NIT 作用下的相变。

图8 SAAM样品在垂直和水平方向的应力-应变曲线。插图显示了相应的光学显微照片，其中 α-Fe 在垂直和水平方向上均等轴呈现。