电弧增材制造（WAAM）结构钢的微观结构和腐蚀行为：与传统轧制相比！

来源：焊接科学

2024年07月09日，浙江工业大学建筑工程学院的研究团队在《Materials & Design》期刊发表最新研究文章“Microstructure and corrosion behaviour of structural steel fabricated by wire arc additive manufacturing (WAAM): In comparison with conventional rolling”，研究了通过电弧熔丝增材制造（WAAM）技术制造的结构钢与常规轧制钢的微观结构和腐蚀行为的比较。

电弧熔丝增材制造（WAAM）是一种金属3D打印技术，它允许以相对及时和成本效益的方式构建大型元素，非常适合成本敏感的建筑行业。尽管这项新兴技术具有潜力，但WAAM材料的基本属性仍然不清楚。该研究对WAAM钢板和传统轧制Q345钢的微观结构和腐蚀行为进行了比较研究。在3.5 wt.% NaCl溶液中暴露十二天后，WAAM钢展示了与常规生产的钢相当的腐蚀性能，包括腐蚀电流密度以及通过电化学阻抗谱（EIS）分析确定的钢/混凝土界面特性。腐蚀后的观察显示，在(Si, Mn)富集的氧化物夹杂物以及周围钢基体的一般腐蚀中发生了优先溶解。与Q345轧制钢相比，由于WAAM钢的原料中Si和Mn元素含量更高，其局部腐蚀的敏感性略高。

工作亮点
WAAM钢与传统轧制Q345钢在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蚀性能相当。

除了周围基体的一般腐蚀外，夹杂物处发生了局部溶解。

在WAAM钢中，(Si, Mn)富集的氧化物夹杂物发生了优先溶解。

在Q345钢中，S富集的夹杂物及其周围发生了显著的溶解和沟槽腐蚀。

实验方法

实验使用了直径为1.2 mm的ER70S-6钢焊丝作为WAAM试件的增材制造材料。利用荷兰MX3D公司的多轴机器人系统进行打印。WAAM过程采用多轴机器人臂在重复的环形路径上操作，MIG焊接喷嘴在基板上方逐层堆叠材料。构建完成后，使用等离子弧切割器将椭圆形钢管从基板上切下，并使用剖面锯铣平以去除表面波动。Q345轧制钢的化学成分根据中国国家标准GB/T 20123-2006和GB/T 4336-2016获得。

图1. 用于制造WAAM钢的机器人系统

图2. 构建后的WAAM椭圆形钢管、铣平后的WAAM钢表面和抛光后的WAAM钢与Q345钢的镜像表面

图3. WAAM钢和Q345钢的拉伸试样在不同方向上的提取

图4. Q345轧制钢和WAAM碳钢的孔隙形态和分布典型显微照片

图5. (a) Q345轧制钢和 (b) WAAM碳钢的三维显微照片

图6. 经硝酸蚀刻后的Q345轧制钢和WAAM碳钢的显微照片

图7. (a) Q345轧制钢和 (b) WAAM碳钢的渗碳体相的圆形度指数的显微照片

图8. Q345轧制钢中典型夹杂物的EDS点分析

图9. Q345轧制钢中典型夹杂物的EDS元素分布图和线扫描结果

图10. WAAM碳钢中典型夹杂物的EDS点分析

图11. WAAM碳钢中典型夹杂物的EDS元素分布图和线扫描结果

论文总结
该研究比较了通过电弧熔丝增材制造（WAAM）技术制造的结构碳钢与传统生产的碳钢的微观结构和腐蚀性能。WAAM碳钢与Q345轧制钢相比，具有更高的孔隙率，但并未表现出较差的腐蚀性能。WAAM碳钢的夹杂物主要由(Si, Mn)富集的氧化物组成，而Q345钢则包含经过钙处理的Al-killed钢中的Al2O3∙MgO∙CaO∙CaS∙MnS夹杂物。研究结果显示，在3.5 wt.% NaCl溶液中暴露12天后，WAAM钢与传统Q345轧制钢相比，具有相似的开路电位、腐蚀电流密度以及通过EIS检测的钢/电解质界面特性。两种钢材均发生了夹杂物的局部溶解和周围基体的一般腐蚀，但WAAM钢的局部溶解与(Si, Mn)富集的氧化物夹杂物密切相关。WAAM钢中的珠光体在腐蚀后相对完好，而Q345钢则在S富集的夹杂物周围出现了显著的溶解和沟槽腐蚀。尽管WAAM钢的腐蚀性能与Q345钢相当，但WAAM钢对点蚀的敏感性略高。

论文地址
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113158