激光后向侧向送丝定向能量沉积制备316LSi不锈钢的力学性能与微观组织研究

《Welding in the World》：Mechanical and microstructural properties of 316LSi stainless steel manufactured via laser-directed energy deposition with rear lateral wire material feeding

本文针对激光定向能量沉积-送丝(L-DED-wire)技术制备316LSi不锈钢过程中存在的热梯度敏感性与缺陷控制难题，系统研究了后向送丝工艺参数窗口对构件力学性能与微观组织的影响。研究通过多尺度表征发现，沉积层间边界为力学弱区，导致平行/垂直沉积方向拉伸性能呈现显著各向异性（屈服强度差达75 MPa），同时揭示了亚晶特征多样性引起的局部硬度波动机制。该工作为高稳定性L-DED-wire工艺开发提供了关键数据支撑，对大型金属构件增材制造具有重要指导意义。

　　

在金属增材制造技术蓬勃发展的今天，激光定向能量沉积-送丝（Laser-Directed Energy Deposition with wire feeding, L-DED-wire）以其高沉积速率、低材料成本和大尺寸构件制造能力，成为替代传统粉末床熔融技术（如激光粉末床熔融L-PBF）的有力竞争者。然而，这种直接沉积工艺使材料暴露于更剧烈的热梯度及弱保护气氛中，导致微观组织和力学性能对工艺参数极度敏感。尤其当采用较少被研究的后向送丝（rear lateral wire feeding）方式时，工艺稳定性与成形质量的控制更具挑战。为此，芬兰拉彭兰塔-拉赫蒂理工大学（LUT）的Vesa Tepponen团队在《Welding in the World》发表最新研究，系统探讨了316LSi不锈钢在L-DED-wire过程中的参数窗口、微观组织演化及力学性能各向异性，为提升该技术工业化应用可靠性提供了关键见解。

研究采用工业机器人系统搭配连续波光纤激光器（功率1200 W）和1 mm直径316LSi焊丝，在S355结构钢基板上沉积两道多层墙体样本。通过单道沉积实验优化参数组合（激光功率1200 W、送丝速度900 mm/min、扫描速度400 mm/min、后向送丝角度50°），确定最佳工艺窗口。随后制备平行与垂直沉积方向的拉伸试样，结合数字图像相关性（Digital Image Correlation, DIC）技术进行准静态拉伸测试，并利用扫描电子显微镜（SEM）、维氏硬度计（HV1）和三维表面轮廓仪对样本进行微观组织、硬度分布及表面粗糙度分析。

4.1 射线检测与无损分析

X射线成像显示，沉积体内部多数区域无重大缺陷，但轨迹末端因材料堆积导致熔池-丝尖距离异常，引发局部未熔合（Lack of Fusion, LoF）缺陷。

4.2 微观组织

SEM分析表明沉积金属为全奥氏体基体，具有晶界-亚晶界分级结构。通过Schaeffler图计算预期组织为92%奥氏体+8%铁素体，但高倍镜下发现在不同区域铁素体形态各异：顶部呈蠕虫状网络，中部为斑点状，底部中心为蕾丝状（lacy ferrite），底部角落则为蠕虫-蕾丝混合形态。

亚晶特征（胞状/柱状枝晶/等轴枝晶）的多样性归因于L-DED-wire过程中热梯度（G）与凝固速率（R）的复杂变化，进而通过Hall-Petch效应（σ_y=σ₀+k_yd^?0.5）影响局部力学性能。

4.3 硬度与表面粗糙度

维氏硬度测量显示底部（231 HV）和顶部（214 HV）因基板激冷与空气冷却效应硬度较高，中部（196 HV）因热积累硬度略低。

表面粗糙度测量中，局部最差区域Ra达70 μm，但整体平均Ra为25 μm，与文献报道的L-DED-wire构件水平一致。

4.4 拉伸性能

平行沉积方向试样屈服强度（506 MPa）和极限抗拉强度（674 MPa）均显著高于垂直方向（431 MPa、639 MPa），但延伸率相近（34–35%）。

DIC应变场分析表明垂直试样应变集中于层间边界，证实其为力学弱区。

本研究通过系统实验阐明：后向送丝L-DED-wire工艺可稳定制备无内部孔隙的316LSi构件，但层间边界导致的力学各向异性及轨迹末端LoF缺陷需通过路径优化与闭环控制进一步抑制。亚晶多样性驱动的硬度波动机制为理解L-DED-wire材料性能不均匀性提供了新视角。未来工作需聚焦于疲劳性能与自适应工艺控制策略开发，以推动该技术在高附加值工业部件制造中的应用。