关于纳米混合2219 MMCs（增强材料为n-B4C和MoS2）干滑动磨损行为的研究及其用于磨损率预测的机器学习模型

《Results in Surfaces and Interfaces》：Study on Dry Sliding Wear Behavior and Machine Learning Models for Wear Rate Prediction of Nano Hybrid 2219 MMCs reinforced with n-B 4C & MoS 2

TM-B9低合金钢L形墙结构通过GMAW-based WAAM工艺制备，优化参数为电压21V、行走速度5mm/s、送丝速度6.5mm/s、气体流量15L/min。结果表明，WAAM部件的UTS（1160.41±34.92 MPa）、YS（927.1±28.2 MPa）和EL（19.61±0.84%）均优于传统TM-B9钢（UTS 798 MPa，YS 665 MPa，EL 16%），且冲击能量吸收和显微硬度分布均匀，验证了WAAM工艺在复杂结构制造中的可行性。

　　本研究探讨了基于气体金属弧焊（GMAW）的线弧增材制造（WAAM）技术在制造TM-B9低合金钢L形壁结构方面的应用。TM-B9是一种特殊的低合金钢，广泛应用于高温高压环境，如电力行业、汽车工业、航空航天工业和石油工业。由于其较高的强度和承载能力，TM-B9在工程结构中具有重要价值。然而，传统加工方法对这种材料的处理存在挑战，例如高硬度导致工具磨损加剧，以及需要专用设备。因此，采用金属增材制造技术成为一种有前景的替代方案，可以有效减少加工需求，降低能耗和成本，同时提升制造效率和复杂结构的可行性。

WAAM作为一种直接能量沉积（DED）方法，具有显著的优势。其高沉积速率、良好的冶金结合以及对材料的灵活性，使其成为制造复杂结构的理想选择。在本研究中，通过优化工艺参数，成功构建了100层的L形壁结构。这些参数包括电压21伏、行走速度5毫米/秒、焊丝送进速度6.5毫米/秒以及氩气流量15升/分钟。在每两层之间，设置120秒的停留时间，以确保充分冷却和减少残余应力。此外，焊丝在层间沉积过程中被旋转180度，以增强几何精度和层间结合质量。这种工艺设置确保了L形结构的无缝融合，且没有出现脱层现象。

在结构分析方面，L形壁结构在不同位置（如角焊缝、水平方向和垂直方向）进行了宏观和微观结构的检测。结果表明，底区的晶粒呈现较为圆润的结构，而中区则表现出界面树枝状结构与圆润晶粒的结合，顶区则显示为较为精细的树枝状和颗粒状结构。这些结构差异主要归因于不同区域的热输入和冷却速率。底区因多次热循环，晶粒结构更为粗大；随着层数增加，热量逐渐传递至下层，导致晶粒逐渐细化。这种晶粒变化趋势与微硬度测试结果一致，表明从底到顶，微硬度呈现递增趋势，且整体结构保持均匀性。

在机械性能测试中，研究团队对水平和垂直方向的试样进行了拉伸测试、冲击测试和微硬度测试。拉伸测试结果显示，水平方向试样的平均抗拉强度（UTS）为1160.41 ± 34.92 MPa，屈服强度（YS）为927.1 ± 28.2 MPa，而垂直方向试样的UTS为1039.81 ± 56.90 MPa，YS为830.0 ± 46.4 MPa。这些数据表明，WAAM制造的结构在抗拉强度和屈服强度方面显著优于传统TM-B9低合金钢，显示出更优越的拉伸性能。此外，拉伸试样的断裂分析显示，断口处存在大量均匀分布的凹坑，表明材料具有较高的韧性，这进一步支持了其良好的延展性。

冲击测试结果表明，无论是水平还是垂直方向的试样，其能量吸收能力均保持一致且在可接受范围内。水平方向试样的冲击能量吸收值为26.8 J至28.3 J，而垂直方向试样的冲击能量吸收值为25.2 J至25.7 J。这说明虽然材料在不同方向上的性能略有差异，但整体表现稳定，具有良好的抗冲击能力。扫描电子显微镜（SEM）对冲击试样断口的分析进一步验证了材料的韧性，表明其具有较高的冲击韧性。

微硬度测试结果显示，结构的各个区域硬度分布均匀。从底到顶，微硬度呈现递增趋势，且在角焊缝处也保持了类似的均匀性。顶区的硬度值略高于其他区域，这可能是由于其作为最先沉积的层，与冷基板直接接触，以及热影响区（HAZ）的影响。然而，这种硬度变化趋势与材料的微观结构特征相符，表明随着晶粒细化，材料的硬度也随之提升。微硬度的均匀性进一步证明了结构的整体完整性，以及在实际应用中不易发生脆性断裂的可能性。

此外，本研究还对不同方向的试样进行了比较分析，发现水平方向的拉伸性能优于垂直方向。这主要归因于水平方向试样中涉及的层数较少，而垂直方向试样则涉及更多层的结合，因此层间结合的质量对整体性能产生一定影响。然而，尽管存在这种差异，两种方向的试样均表现出优异的机械性能，表明WAAM技术能够有效制造具有优良性能的TM-B9结构。

综上所述，本研究通过优化工艺参数和系统分析材料性能，展示了基于GMAW的WAAM技术在制造TM-B9低合金钢L形结构方面的潜力。这种技术不仅能够实现高精度制造，还能显著提升材料的机械性能，使其在工业应用中具备更高的可靠性。研究结果表明，WAAM制造的结构在抗拉强度、屈服强度、延伸率以及冲击韧性等方面均优于传统加工方式，为未来的工业制造提供了新的思路和技术支持。