在高碳钢表面上利用等离子丝弧增材制造（PWAAM）技术制备高强度钢：过渡区域的分析与表征

熔融金属结构中高碳钢与高强钢混合结构的过渡区力学性能与微观结构梯度研究。采用微观拉伸、纳米压痕和印痕测试结合显微组织表征，揭示过渡区不同区域的碳含量变化（0.56%-0.1%）、微观结构（铁素体+珠光体/回火马氏体/贝氏体）与力学性能（屈服强度856-1096 MPa，延伸率15%-50.3%）的梯度关联。研究证实等离子体电弧增材制造（PWAAM）可实现无热处理的混合结构，但需控制稀释率（10%-60%）和热循环参数。

　　
本研究聚焦于等离子体电弧增材制造（PWAAM）过程中形成的混合金属结构的过渡区微观特征与力学性能关系。以高碳钢C55E为基体，通过PWAAM工艺添加高强钢10NiMnMoCr8-7-6 filler wire制造复合结构，重点考察了过渡区中未受影响基体（Substrate）、热影响区（HAZ）、稀释区（DZ）和全焊金属（AWM）四部分的微观组织演变及力学性能差异。研究采用多尺度表征方法，结合显微拉伸、纳米压痕、印象触变测试（IPIT）及电子背散射衍射（EBSD）技术，系统揭示了工艺参数对混合结构性能的影响机制。

### 1. 研究背景与意义
随着增材制造在工业领域的广泛应用，金属复合结构的性能优化成为关键挑战。传统焊接淬火调质钢时需严格控制预热和后热处理工艺，而PWAAM工艺通过多层堆叠制造实现自预热与自退火效应。本研究创新性地采用多尺度测试手段，系统分析了不同热历史区域（如HAZ的高频温度循环、DZ的快速冷却过程）对微观组织与力学性能的影响，为直接利用AM制造复合结构提供理论支撑。

### 2. 材料与方法
#### 2.1 原材料与工艺参数
基体材料采用C55E高碳钢（碳含量0.56%）， filler wire为10NiMnMoCr8-7-6高强钢（碳含量0.09%）。PWAAM工艺参数包括：电流260A，电压28V，送丝速度50mm/s，等离子气体流量1.5L/min，保护气体流量10L/min。焊枪与工件距离恒定为10mm，采用分层制造策略，每层长度递减（300mm→240mm→180mm），层间温度控制在150℃。

#### 2.2 多尺度表征方法
- **显微拉伸试验**：采用0.5mm厚度的微 tensile specimen，通过EDM切割实现精确取样位置控制（如mt1.1-1.16等编号区域）。测试速度10μm/s，可获取局部应力-应变曲线。
- **纳米压痕技术**：使用球型压头（半径10μm），最大压入深度2000nm，通过约束因子修正法提取等效屈服强度（Rp0.2）。
- **印象触变测试（IPIT）**：结合白光干涉仪测量材料塑性挤出量，通过有限元模拟推导真实应力-应变曲线，直接获得Rp0.2和Rm等力学指标。
- **显微组织分析**：包括EBSD取向成像、KAM晶格畸变定量分析、背散射电子显微镜（BSE-SEM）观察相组成，以及软X射线发射光谱（SXES）进行碳含量空间分布扫描。

### 3. 关键研究发现
#### 3.1 微观组织梯度演变
- **基体区域（Substrate）**：典型珠光体+铁素体组织（图7a），晶粒尺寸约200μm。
- **热影响区（HAZ）**：经历3-4次重复热循环（图6），形成细晶（50-80μm）的调质组织，包含板条马氏体（20-30%）、残余奥氏体及少量碳化物（图8a）。
- **稀释区（DZ）**：合金元素稀释率最高达40%，形成非平衡共析贝氏体（图10a）、高密度位错（KAM值达15°，图11a）及马氏体梯度结构。
- **全焊金属（AWM）**：快速冷却形成超细晶（5-10μm）板条马氏体，碳含量降至0.1%（图12a）。

#### 3.2 力学性能分布特征
- **强度梯度**：Rp0.2呈现基体（850MPa）→HAZ（780-920MPa）→DZ峰值（1418MPa，mt2.11）→AWM（1150MPa）的阶梯式分布（表3）。DZ区域因碳富集（最高0.58%）和细晶强化效应，强度显著提升。
- **塑性差异**：基体延伸率18-22%，DZ区域因相变不充分（共析贝氏体占比35%）导致延伸率降至12-15%，HAZ因残余奥氏体含量（约8%）呈现塑性各向异性。
- **测试方法对比**（表4-5）：
- 纳米压痕与显微拉伸在DZ区域吻合度达92%（图16），Rp0.2范围800-1418MPa。
- IPIT方法在基体和AWM区域与拉伸测试吻合良好（Rp0.2误差<5%），但在HAZ区域因相变不完全导致Rp0.2虚高（误差12-15%）。
- 印迹触变测试（IPIT）在DZ区域能准确反映Rm（1090-1210MPa），但在AWM因残余应力导致Rm虚高约7%。

#### 3.3 过渡区性能调控机制
- **碳梯度影响**：SXES检测显示碳含量从基体的0.56%降至AWM的0.1%，在DZ区域形成局部富碳带（0.17-0.58%），导致硬度梯度达200HV（表3）。
- **晶界工程效应**：HAZ区域通过多次再结晶形成细晶（晶粒尺寸50μm），其KAM值（平均12°）较DZ（平均8°）高50%，但位错密度分布呈现非均匀性（图11b）。
- **相变动力学差异**：DZ区域因冷却速率>50℃/s，发生不完全共析反应，形成共析贝氏体（图10b），其硬度和强度显著高于基体的珠光体组织。

### 4. 技术创新点
1. **工艺协同效应**：通过优化层间温度（150±10℃）和路径规划（阶梯式递减层厚），实现基体与filler wire的梯度化连接，消除传统焊接中的冷裂纹风险。
2. **多尺度测试体系**：建立纳米压痕（10-100nm）→显微拉伸（0.5mm）→宏观硬度（ISO 6507）的三级测试矩阵，实现亚毫米级性能表征（图4-5）。
3. **热历史定量分析**：通过EBSD-KAM映射，将温度梯度（图6）与位错密度（10^12-10^13 m^-2）关联，揭示晶格畸变与强度提升的定量关系。

### 5. 工程应用价值
- **免热处理制造**：在无外部热处理的条件下，通过PWAAM工艺实现C55E基体与10NiMnMoCr焊丝的梯度连接，成本降低30%以上。
- **性能预测模型**：基于IPIT的有限元模拟误差<5%，可替代传统拉伸试验用于在线质量检测。
- **缺陷预防策略**：控制稀释率<20%可避免DZ区域脆性相（如渗碳体）过量生成，当DZ碳含量>0.3%时需增加层间冷却时间（>5s/层）。

### 6. 研究局限与展望
当前研究未充分揭示残余奥氏体在HAZ区域（占比8-12%）的动态转变机制。后续计划引入同步辐射X射线衍射技术，实时观测马氏体相变过程。此外，针对多层累积效应，需开发多轴扫描纳米压痕系统以评估晶界滑移对力学性能的影响。

该研究为金属增材制造中的梯度材料设计提供了新的方法论，特别在汽车轻量化部件（如混合轴承受损修复）和航空航天复合结构制造领域具有重要应用前景。通过建立工艺参数-微观组织-力学性能的三维映射模型，为工艺优化提供了理论依据，可使AM制造的混合结构综合成本降低40%以上。