高塑性电弧增材制造316L不锈钢沿构建方向的织构演化机制与力学性能调控

本文针对电弧增材制造(WAAM) 316L不锈钢在构建方向(BD)和径向(RD)的力学性能各向异性问题，通过原位EBSD、TEM等技术系统研究了织构演化与变形机制。研究发现BD样品具有95%的超高延伸率，其{113}<631>、{114}<841>等织构组分在应变过程中发生动态重取向，而RD样品因纳米α'相和MnSiO3 夹杂的强化作用表现出597 MPa的抗拉强度。该研究为定向调控增材制造金属织构提供了新思路。

　　

在金属增材制造领域，如何平衡强度与塑性始终是制约结构材料应用的瓶颈问题。传统锻造316L不锈钢虽具备良好耐蚀性，但其力学性能受加工工艺限制难以突破。电弧增材制造(WAAM)技术通过逐层堆积可实现复杂构件成型，但工艺特有的快速凝固特性会导致显著的织构各向异性和性能不均一性。特别是沿构建方向(BD)与径向(RD)的力学性能差异，直接影响着构件在复杂载荷下的可靠性。

为解决这一关键问题，国内某高校的研究团队创新性地采用脉冲气体保护焊工艺制备WAAM 316L不锈钢，结合多尺度表征手段揭示了织构演化规律与变形机制。研究发现，空气冷却条件下形成的柱状γ晶粒沿{001}方向择优生长，同时生成纳米α'相和MnSiO₃
夹杂。这种特殊微观结构使BD样品获得95%的超高延伸率，而RD样品则展现597 MPa的高强度。相关成果发表在《Materials》期刊，为定向调控增材构件性能提供了理论依据。

研究采用气体金属电弧焊(GMAW)制备样品，通过原位EBSD追踪不同应变下的晶粒取向变化，结合TEM观察位错组态演变。力学测试采用1.76×10^-4
s^-1
应变速率，同步记录应力松弛行为。微观表征涵盖SEM、XRD等常规手段，特别采用几何相位分析(GPA)量化界面应变分布。

3.1 微观结构与拉伸强度
SEM显示WAAM样品呈现亚微米级柱状/胞状结构，TEM证实存在10.1 nm的γ相基体和MnSiO₃
纳米颗粒。BD与RD样品分别展现95%和65.5%的延伸率，断口分析表明BD样品韧窝占比达29.7%，显著高于RD样品的14.95%。

3.2 原位EBSD分析与局部织构演化
初始态样品呈现{001}//BD的强织构，HAGBs占比68.5%。应变增至60%时，LAGBs比例升至97.9%，KAM值从0.5°增至1.5°。ODF分析揭示织构演变路径：{116}<391>→{114}<841>→{113}<631>，符合Taylor模型预测。

3.3 不同应变下的TEM观察
HRTEM显示15%应变时形成37°大角度晶界，60%应变时激活多个{111}<110>滑移系。GPA分析测得MnSiO₃
/γ界面存在15%的压缩应变，这种半共格界面有效阻碍位错运动。

研究结论表明，WAAM 316L不锈钢的优异性能源于三重机制协同作用：一是13°偏离理想{001}取向的柱状晶促进多滑移系激活；二是纳米α'相与MnSiO₃
颗粒的协同强化；三是动态回复过程中形成的亚晶界网络（平均取向差1.5°）协调塑性变形。特别值得注意的是，{114}<841>织构作为向立方织构转变的过渡态，在40%应变时发挥关键作用。该发现突破了传统认为{001}织构不利于塑性的认知，为通过工艺参数调控获得"高强度-高塑性"组合提供了新途径。在实际应用中，可通过层间冷却控制诱导梯度织构分布，使构件在不同部位实现性能定制化，这对航空航天大型复杂部件的制造具有重要指导意义。