华南理工大学&广东省科学院等单位顶刊：电弧增材制造超级双相不锈钢的各向异性行为

来源： WAAM电弧增材

超级双相不锈钢因其潜在的耐腐蚀合金特性而正在被广泛研究，由于其微观结构中含有几乎相等比例的铁素体和奥氏体，它们具有非常有利的机械性能和耐腐蚀性能的结合。迄今为止，SDSS的卓越性能使其在海洋和石化应用中引起了极大的兴趣。目前，大多数具有复杂几何形状的大型SDSS部件是使用传统铸造法制造的。

然而，由于SDSS中合金元素含量高，铸造存在的问题是生产周期长,为了克服这个问题，有必要研究新的制造方法，电弧增材制造在生产形状复杂的近乎净成形金属部件方面显示出巨大优势，除了其可比的成型性，WAAM的期望优势包括高沉积速率和低材料及设备成本，这些促使WAAM成为替代大型锻件或实心坯料以及中小型复杂部件传统制造技术的有力竞争者。WAAM工艺非常适合于多种合金，包括Ti6Al4V合金、不锈钢、高熵合金以及许多其他关键工程合金，关于WAAM制造的SDSS，已经确认了机械性能的各向异性，但各向异性机制不一致。此外，腐蚀机制仍然未知，对微观结构、晶体特征、机械性能和耐蚀性之间关系的更清晰的理解，可以为优化WAAM工艺提供启示。

近日，华南理工大学研究团队与阳江市中乌巴顿技术研究院团队，广东省科学院中乌焊接研究所及澳门大学团队合作，在材料科学1区top期刊journal of materials research and technology(jmr&t)上发表了题为"Anisotropic behavior of super duplex stainless steel fabricated by wire arc additive manufacturing"的研究论文，本研究的目的是通过光学显微镜、扫描电子显微镜研究电弧增材制造SDSS 薄壁部件的机械性能、耐腐蚀性、微观结构和晶体学特征之间的各向异性行为、电子背散射衍射、X射线衍射、硬度测试、拉伸测试和电化学腐蚀测试。同时，还研究了由商业热轧 SAF 2507 SDSS 制备的对照样品组进行比较，全面研究了WAAM制造的SDSS薄壁部件在构建方向平行和垂直方向上的机械性能和耐蚀行为。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、背散射电子、能量色散光谱和电子背散射衍射对微观结构进行了表征。为了评估机械性能和耐蚀行为，从WAAM制造的SDSS薄壁中制备了垂直和平行于构建方向的样品。同时，作为对照样品，也研究了商用热轧SAF 2507 SDSS，这些发现为理解WAAM制造的SDSS的各向异性特性机制提供了见解，这将为未来WAAM工艺的改进提供新的视角。

图1- (a) CMT-WAAM工艺的示意图和 (b) 薄壁SDSS部件

图2- (a) 样品的X射线衍射（XRD）谱图和 (b) (200)衍射峰的放大图

图3- WAAM制造的SDSS中g2相的透射电子显微镜（TEM）图像以及相应的能谱（EDS）元素图（Cr、Fe、Mo、N、Mn）

图4- (a) WAAM-XY的相图，(b) WAAM-XZ的相图，(c) 热轧SDSS的相图，以及 (d) WAAM-XY，(e) WAAM-XZ 和 (f) 热轧SDSS的晶粒尺寸分布图

图5- 不同样品的显微硬度

图7- (a) 工程应力-应变曲线和 (b) 样品的屈服强度（YS）、抗拉强度（UTS）和伸长率值

图8- 不同样品的断口表面扫描电子显微镜（SEM）显微照片：(a, d, g) WAAM-XY，(b, e, h) WAAM-XZ 和 (c, f, i) 热轧SDSS

图9- 在3.5%氯化钠溶液中不同样品的点蚀试验（CPP测试）

图10- 在点蚀试验（CPP测试）后不同样品的扫描电子显微镜（SEM）显微照片：(a) WAAM-XY，(b) WAAM-XZ，(c) 热轧SDSS

图11- (a) WAAM制造的SDSS中夹杂物的透射电子显微镜（TEM）图像以及相应的硅（Si）、锰（Mn）和氧（O）的能谱（EDS）元素图， (b) CPP试验后WAAM制造的SDSS的点蚀起始位置

图12- 不同样品的电化学阻抗谱（EIS）结果：(a) 奈奎斯特图，(b) 波特图，(c) WAAM-XY和WAAM-XZ的等效电路，以及 (d) 热轧SDSS的等效电路

图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）图

关键结论

在当前研究中，探讨了WAAM制造的SDSS的机械性能和耐蚀行为的各向异性。主要结论如下：

1) 在WAAM制造的SDSS中观察到显著的微观结构各向异性（柱状晶粒形态的各向异性），这归因于WAAM过程中的热循环和部分重熔。

2) 与热轧SDSS相比，WAAM制造的SDSS具有更高的铁素体相体积分数和更小的晶粒尺寸，这可能是其显微硬度更高的贡献因素。

3) WAAM制造的SDSS的拉伸性能的特有各向异性，是由于在WAAM过程中SDSS的沉积期间高温柱状晶粒的外延生长，以及(200)晶面的取向比例差异和不平衡的相比例。

4) 尽管WAAM-XY样品具有最不平衡的相比例（奥氏体：铁素体约为3:7），但其在活化状态下具有最高的耐蚀性。这主要是由于晶界特性和晶粒取向分布对WAAM制造的SDSS的耐蚀性有显著影响，与平衡相比例相比。

5) 与热轧样品相比，WAAM制造的SDSS的点蚀耐蚀性较差，根据低的击穿电位判断，并且WAAM制造的SDSS的再钝化能力显著恶化，这从较低的Epr - Ecorr值反映出来。在钝化状态下较低的点蚀耐蚀性和较低的再钝化能力可能与WAAM制造的SDSS中的夹杂物密切相关。


通讯作者
邱文丰，现任华南理工大学教授，曾任中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员，清华大学化学系博士后，曾为韩国埔项工科大学化学系博士后；中国科学院化学研究所博士。研究方向: 聚合物陶瓷前驱体与高性能复合材料树脂基体的设计、合成、工程化制备及应用研究，开展杂化功能材料及聚合物陶瓷前驱体制备先进陶瓷材料的研究。主要业绩: 迄今发表文章40多篇，曾主持/参与多项国防重大项目。多年来从事聚合物陶瓷前驱体与特种树脂材料的研发、应用，完成锆基、铪基、钽基、氧化铝、莫来石等聚合物陶瓷前驱体的研制，应用于耐超高温/高温陶瓷基复合材料制备，并开拓聚合物陶瓷前驱体在特种陶瓷纤维、注射成型、特种陶瓷涂层等方面的应用。


论文引用
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