电弧增材制造制备功能梯度材料Alloy 82/AISI 304L的微观结构与机械性能研究!

来源：焊接科学

2024年12月20日，韩国科学技术院核与量子工程系的研究团队在《Materials Today Communications》期刊发表最新研究文章“Microstructure and mechanical properties of functionally graded materials alloy 82 / AISI 304L by employing WAAM”，研究了基于气体钨极电弧焊（GTAW）技术的电弧增材制造（WAAM）工艺制备Alloy 82/AISI 304L功能梯度材料（FGMs）墙体的微观结构与机械性能。

研究人员系统分析了FGMs墙体的微观结构、化学组成、晶粒尺寸及力学性能。结果表明，Alloy 82区域显示出细柱状和胞状枝晶，而AISI 304L区域则具有板条状δ铁素体。拉伸实验显示，FGMs墙体的极限抗拉强度和屈服强度分别为565 MPa和321 MPa，断裂发生在AISI 304L区域，并表现出韧性失效模式。

实验方法
研究采用GTAW工艺，以Alloy 82和AISI 304L填充焊丝（直径1.2 mm）为原材料，制备FGMs墙体，基板为厚度10 mm的304L钢板。关键工艺参数包括：电流140 A，电压13-15 V，焊枪移动速度120 mm/min，保护气体为纯氩气（99.99%），流量20 L/min，层间温度控制在150°C，每层厚度约0.9 mm，最终墙体尺寸为70 mm × 55 mm × 5 mm。通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和EBSD技术对FGMs墙体的微观结构进行表征，同时使用维氏硬度计和拉伸试验评估机械性能。

图1. 采用GTAW技术制造的AISI 304L和Alloy 82功能梯度材料（FGMs）WAAM墙的CAD示意图以及样品的提取.

图2. (a) 开发的FGMs WAAM墙的宏观图；(b) AISI 304L的显微结构，(c) 界面区域，以及 (d) Alloy 82的显微结构.

图3. 通过GTAW WAAM制造的AISI 304L沉积区域的SEM-EDS分析.

图4. FGMs AISI 304L和Alloy 82 WAAM界面区域的SEM-EDS线扫描分析.

图5. 通过GTAW WAAM沉积的Alloy 82区域的SEM-EDS线扫描分析.

图6. AISI 304L沉积的EBSD分析，显示 (a) FCC和BCC相分析 (b) KAM映射和 (C) Schmid因子.

图7. AISI 304L沉积的EBSD分析，显示取向分布函数（ODF）.

图8. AISI 304L沉积的EBSD分析，显示 (a) 逆极图，(b) 晶粒尺寸设置，和 (C) 晶粒失配角.

图9. FGMs WAAM界面区域的EBSD分析，显示 (a) 逆极图 (IPF)，(b) Schmid因子 (SF)，(c) 核心平均失配 (KAM)，和 (d) 晶粒失配角.

图10. 硬度剖面图，显示从Alloy 82到304L侧FGMs WAAM硬度的变化.

图11. 显示 (a) 拉伸试验照片及其断口形貌和 (b) Charpy V缺口试验照片及其断口形貌.

论文总结
FGMs墙体成功实现了Alloy 82与AISI 304L的界面结合，无明显裂纹与孔隙缺陷；
AISI 304L区域显示δ铁素体向奥氏体转变，Alloy 82区域主要由柱状枝晶组成，界面区域具有混合晶界；
Alloy 82区域硬度更高，约为234 HV，而AISI 304L区域硬度为186 HV，硬度呈现沿沉积方向递减趋势；
FGMs墙体的抗拉强度为565 MPa，屈服强度为321 MPa，伸长率为23%，断裂发生在AISI 304L区域；
FGMs墙体在界面区域的韧性较低，为33 J，主要受低角度与高角度晶界（LAGBs与HAGBs）以及碳化物析出的影响。

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