《JMR&T》高强钢电弧增材制造中组织与力学性能的局部控制

来源：长三角G60激光联盟

荷兰代尔夫特理工大学研究人员对高强钢电弧增材制造中组织与力学性能的局部控制进行研究，沿着成型方向实现了局部微观结构和性能控制。相关研究成果以“Local Control of Microstructure and Mechanical Properties of High-strength Steel in Electric Arc-based Additive Manufacturing”为题发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

研究亮点：
•通过调节热输入和通道间温度来实现功能分级。

•沿着成型方向实现了局部微观结构和性能控制。

•低热输入区表现出较高的马氏体分数。

•在LHI区观察到更高的硬度和极限抗拉强度。


增材制造(AM)，也称为3D打印，是一种先进的制造技术，可以逐层生产接近净形状的零件，并为航空航天，海事和汽车等各个行业的产品设计，制造和维修提供革命性的前景。与传统制造技术相比，增材制造因其高度定制、制造灵活性和复杂沉积特征的结合而脱颖而出。电弧线材增材制造(WAAM)工艺涉及将线材形式的材料提供到电弧热源加热的区域，并沿预定路径沉积产生的熔融材料，通常源自计算机辅助设计(CAD)文件。由于可实现的高沉积速率和制造效率，WAAM适用于制造尺寸超过一立方米的大体积零件。增材制造中应用的弧焊工艺主要有钨气弧焊(GTAW)、等离子弧焊(PAW)和金属气弧焊(GMAW)。与GTAW和基于PAW的AM相比，GMAW在实践中通常是首选的，因为沉积材料从焊枪同轴供应，不需要外部送丝器，从而简化了刀具轨迹规划。而且，其沉积速率普遍高于GTAW和PAW。基于GTAW的AM具有高沉积速率(通常1-10 kg hr -1)，低材料浪费和高工艺效率(约为90%)。它还为局部成分和微观结构控制(也称为功能分级)提供了巨大的潜力。
增材制造为生产具有明显局部微结构和机械性能的金属部件提供了巨大的潜力。虽然功能分级通常是通过成分变化或原位热机械处理来完成的，但增材制造过程中工艺参数的变化可以提供一种具有发展前景的替代方法。以电弧为基础的增材制造工艺为研究对象，通过调整速度和通道间温度对高强钢(S690级)进行功能分级。通过对单片珠层板沉积的热模拟与实验测量相结合，表明通过合理调整工艺参数可以控制零件的微观组织和力学性能。为了演示功能分级，使用恒定的送丝速率和不同的移动速度制作了一个矩形块。矩形块由夹在高热输入区(HHI)之间的低热输入区(LHI)沉积而成。

实验设置
在尺寸为140 × 50 × 10 mm3的衬底上，以5 ~ 20 mm s - 1的不同速度制备了长度为120 mm的单片珠层沉积。然后使用多组工艺参数来局部控制微观结构和力学性能，生产尺寸为125× 21 × 23 mm3的矩形块，如图1所示。通过改变运动速度来实现块体性能的功能分级，并根据单片珠层板评估结果选择工艺参数。

图1：(a)基于电弧的增材制造工艺示意图，通常称为线弧增材制造(WAAM)。(b)沉积矩形块体的高和低热输入区域示意图。块上的黄色箭头表示双向打印策略。

高低温区由多边形铁素体、针状铁素体和贝氏体混合组成，低低温区主要由马氏体组成。硬度和基于轮廓的压痕塑性测量表明，与HHI区相比，LHI区具有更高的硬度(32%)和强度(50%)，但较低的均匀伸长率(80%)。目前的研究表明，通过调整电弧增材制造的工艺参数，有可能实现功能分级，为零件的定制特性提供机会。


本研究的目的是通过调节热输入和通道间温度，局部控制电弧增材制造中高强钢合金(S690)的显微组织和力学性能(即功能分级)。可以假设，随着热输入和通道间温度的降低，可以获得更高的马氏体相分数、硬度和材料强度。在这个过程中，热量的输入是通过改变运动速度来控制的。建立了基于有限元法的数值模拟方法来预测WAAM过程中的热分布。用增材制造了一个测试长方体，并对从沉积块体中提取的样品进行了显微结构表征和显微硬度测量。此外，为了确定构造部件的局部屈服和极限抗拉强度，使用基于轮廓学的压痕塑性测量(PIP)技术进行了测量。详细讨论了不同区域的组织演变及相应的力学性能。本研究的结果有助于我们对高强钢合金WAAM的组织控制和力学性能定制的理解。
模拟中使用了与温度相关的材料特性，这些特性是使用JMatPro软件根据材料成分确定的，如图2所示。

图2：热模拟中使用的高强钢的温度相关材料性能。

将数值预测的热分布与实验测量的基片上两点的温度进行了比较，实验速度为5 mm s−1，结果如图3所示。

图3：比较了位于衬底中间的两个监测点的数值预测和实验测量温度，分别距离沉积珠的中心线8mm和16mm。数据采集自单珠板实验，运动速度为5 mm s−1。

图4：本研究采用的高强钢成分对应的CCT(连续冷却转变)图。

以8 mm s−1和20 mm s−1速度沉积的单珠的光学显微照片如图5所示。低速沉积的球体呈现多边形铁素体、针状铁素体、贝氏体和低碳马氏体的混合组织，类似于5 mm s−1速度沉积的球体。

图5：在不同的运动速度下沉积的珠子的光学显微照片:(a) 8 mm s−1和(b) 20 mm s−1。

图6显示了平均硬度，证实了硬度随行程速度增加而增加的预期趋势。在5 mm s−1下沉积的样品硬度约为260 HV0.1。在20 mm s−1温度下沉积的样品硬度最高，达到440 HV0.1，这是由于沉积材料的快速冷却和较高的马氏体相分数所致。这种硬度随速度变化的变化表明，通过控制高强钢的工艺参数，电弧增材制造可以实现渐变的显微组织和性能。

图6：单珠板镀层维氏硬度随运动速度的变化。

宏观结构和晶粒结构
图7显示了功能分级块的横截面，显示了缺乏孔隙度和缺乏融合。图7(b)是高hi区(下)和低hi区(上)之间界面的高倍光学显微照片。在两个区域之间的界面处，微观结构特征的显著变化是可见的。高低温区有较多的粗晶粒，而低低温区有较细的晶粒。

图7：(a)功能梯度块的横截面和(b)低热量输入(LHI)和高热量输入(HHI)区域之间的界面(b)。子图(b)描述了子图(a)中黑色矩形指定区域的放大。

图8：在样品的低热输入(LHI)区域的横截面上观察到柱状和等轴晶粒。位于黄线之间的区域显示等轴晶粒。

高热输入区显微组织演变
两个HHI区域的光学和扫描电镜如图9所示。显微照片显示在两个HHI区域存在相似的显微结构成分。高热输入区的显微组织成分主要为多角形铁素体、针状铁素体、粒状贝氏体和微量马氏体。

图9：光学显微图显示(a) HHI底部区域和(b) HHI顶部区域，扫描电镜显微图显示(c) HHI底部区域和(d) HHI顶部区域。观察到不同铁素体形态和马氏体的混合显微组织。黄色箭头表示马氏体-奥氏体岛。

HHI区域的XRD谱图如图10所示。

图10：(a)功能梯度块的宏观图，显示了记录x射线衍射(XRD)模式的位置。(b)和(d)分别从顶部高热输入区和底部高热输入区获得的XRD谱图。(c)和(e)两个HHI区XRD谱图中残余奥氏体峰的放大图。

图11提供了HHI区域的更高放大图像。马氏体-奥氏体岛位于贝氏体板条之间，沿奥氏体晶界分布。

图11：高热输入(HHI)区域的高倍图像显示了MA的不同形态。红色箭头表示条带形态，黄色箭头表示块状形态。

低热输入区显微组织演变
低热输入区组织由低碳马氏体、晶界铁素体和Widmanstätten铁素体组成，如图12所示。

图12：(a)低热输入(LHI)区域的光学显微图和(b)扫描电镜显微图。黄色箭头表示渗碳体颗粒或MA的存在。

低热输入区域的SEM显微图(图13)显示渗碳体的析出，表明回火马氏体微观结构。

图13：低热输入(LHI)区域的放大图，显示了LHI区域内回火马氏体中的碳化物。

图14的XRD测量证实了没有检测到残留的奥氏体峰。与HHI区相似，在{110}、{200}和{211}处观察到铁素体峰。由于LHI区域的冷却速率增加，奥氏体分解过程中碳的扩散有限。

图14：(a)功能梯度块的宏观图，显示了x射线衍射(XRD)测量的位置。(b)从低热输入(LHI)区域获得XRD图，仅显示铁氧体峰。

维氏硬度与显微组织的相关性
样品沿构建方向的硬度分布如图15所示。

图15：在功能分级块的横截面上沿成型方向测量硬度。

在低热输入区观察到的较低的硬度值是由于存在一个白带状区域，很容易被误认为是熔合线。白带区域和融合线如图16(b)所示。

图16：(a)在白色带上进行硬度测量，以验证软化的发生。(b)白色带区域的压痕。黄线之间的区域代表白色带区域。红色虚线表示融合线。

图17：白带区为不同铁素体和马氏体的混合组织。彩色箭头表示不同的微观结构成分。黄色:上贝氏体，红色:针状铁素体，绿色:下贝氏体或回火马氏体，紫色:多边形铁素体，蓝色:未回火马氏体。

基于轮廓测量的压痕塑性测量法
图18给出了每个区域对应压痕的PIP测量估计的应力-应变曲线。底部和顶部HHI区域的屈服(50%)和极限抗拉强度(34%)都低于LHI区域。

图18：应力-应变曲线来源于(a)顶部高热输入(HHI)区域、(b)中部低热输入(LHI)区域和(c)底部高热输入区域的基于轮廓学的压痕塑性测量(PIP)测量。黄点表示PIP测量的凹痕位置。

结论
研究了利用电弧增材制造技术控制高强钢S690的组织和力学性能。与以往的研究依赖于成分变化或原位热机械方法来控制性能不同，该研究通过调整工艺参数来调节能量输入并产生空间变化的微观结构。基于本研究的结果，得出以下结论。
•在单珠片实验中采用更高的运动速度导致800°C和500°C之间的冷却速率增加，马氏体相分数更高，硬度更高。这证明了在基于电弧的增材制造中，通过调整移动速度来实现功能分级的可能性。
•通过对矩形块体构建方向横截面的硬度测量，证实了其显微组织的分级，低热输入区硬度值较高且波动较大，高热输入区硬度值较低且较为均匀。
•调整工艺参数可以观察到矩形块体中微结构成分的空间变化，表明微结构分级成功。在高强钢的沉积过程中，使用较低的热输入，结合50°C的温度，产生较高的冷却速率，导致马氏体的形成。相反，增加热输入和通道间温度降低了冷却速度，产生了多边形和针状铁素体、贝氏体和马氏体的混合组织，这可能与硬度测量有关。
•低热输入区硬度分布图的波动是由临界间再加热热影响区引起的，该热影响区由于马氏体(回火和未回火)、贝氏体和铁素体的混合组织而具有较低的硬度。使用较低的行程速度来增加冷却速度会造成微观结构的不均匀性，导致局部软区硬度大大低于周围材料。
•基于轮廓测量的塑性测量表明，与高热输入区域相比，低热输入区域的屈服和抗拉强度增加(约150 MPa)，伸长率降低(2.3%)。相反，由于晶界铁素体、针状铁素体和回火马氏体的存在，高热输入区表现出更高的延伸率(10.2%和12.4%)，表明这些区域可以容纳更大的变形。
值得注意的是，本研究仅限于一种高强度低合金钢，但所提出的获得空间变化的显微组织和性能的方法可以应用于其他金属材料。当与数值模拟相结合时，这种方法可以导致对局部机械性能进行控制的零件的制造。未来的研究应检查其他参数组合的影响，提高制造效率和性能评估，以开发这种定制微结构的功能分级潜力。在零件的设计阶段也应该提高对可实现性能的认识，以充分发挥WAAM功能分级的潜力。


相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.07.262