《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Piezomagnetic reversal behavior of anisotropic wire arc additively manufactured steel under tensile stress
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增材制造中电弧增材制造（WAAM）钢材的各向异性磁性能与力学性能关联研究。通过制备不同沉积方向的试样进行拉伸测试，结合磁化率测量分析发现：磁各向异性与沉积方向一致，拉伸载荷达15kN时出现磁性能反转现象，揭示了材料内部残余应力和晶界排列对磁响应的影响机制，为AM部件缺陷检测和应力评估提供新方法。
盛宝|严莉|洪静轩
浙江大学土木工程与建筑学院，中国杭州，310058
引言
增材制造（AM）作为一种革命性技术，已在各个行业中用于生产复杂、定制化且高性能的零部件[1,2]。其中，电弧丝材增材制造（WAAM）因其在材料利用率、高沉积速率和相对较低的生产成本方面的优势而受到广泛关注[3]。与传统制造工艺不同，WAAM能够实现金属材料的逐层沉积，这使得它特别适合用于航空航天、汽车和建筑等行业中大型、几何形状复杂的零部件的生产[[4], [5], [6]]。尽管具有巨大潜力，但由于材料特性（尤其是制造过程中出现的各向异性问题）的影响，WAAM的广泛应用仍面临诸多挑战[7,8]。
由于沉积过程的固有特性，WAAM制造的零件通常表现出明显的各向异性。WAAM过程中较高的冷却速率和非均匀固化会导致不同构建方向上的微观结构差异，进而影响材料的拉伸强度、疲劳性能等机械性能[[9], [10], [11]]。多项研究探讨了这些各向异性现象，确定了沉积策略、工艺参数以及残余应力和内部缺陷等因素的作用[3,7,[12], [13], [14]]。
各向异性的主要成因在于微观结构的方向性发展或不同的组织形态[8]。各向异性机械性能受到沿垂直和水平轴的位错壁形成以及微观结构中树枝晶形态的影响[11,15]。同样，铁磁材料的磁性能也与微观结构（包括位错和晶粒排列）密切相关[16,17]。Zaied[18]指出，激光束熔化（LBM）机器参数（尤其是归一化能量密度）会影响高硅钢的微观结构和磁性能（磁通密度和矫顽力）。Zou[19]提出了一种通过调整晶体取向来改善激光粉末床加工软磁合金磁屏蔽特性的方法。Sch?nrath[20]研究了工艺参数对坡莫合金元素分布和磁性能的影响，发现饱和磁化强度的增加和表面偏析效应会导致单轴磁各向异性。Li[21]研究了再结晶退火对层次化、各向异性微观结构的影响，并发现这种结构能够提升材料的机械性能和软磁性能，尤其是与选择性激光熔化方向对齐的磁各向异性。Oliveira[22]研究了三种构建方向下粉末床熔化制备的马氏体时效钢300试样的磁性能和残余应力，发现这两者都受构建方向的影响，并可通过巴克豪森噪声（Barkhausen Noise）进行质量评估。此外，压磁效应为研究和表征WAAM钢材料的各向异性特性提供了有效方法。压磁效应是指材料在机械应力作用下的磁性能变化，为探测材料内部结构和应力状态提供了独特途径[23,24]。最新研究表明，WAAM制造的钢材的磁性能表现出显著各向异性，这与材料的机械各向异性密切相关[25]。磁畴结构与施加应力之间的相互作用会产生独特的压磁信号，这些信号可能作为材料机械性能的指标[26,27]。
尽管关于增材制造材料压磁特性的研究已经展开，但这一领域仍相对有限。鉴于应力对铁磁材料磁化过程的复杂影响，深入探讨各向异性钢材中自发磁化现象的物理原理尤为重要。本研究对不同沉积方向上的WAAM钢试样进行了逐步加载的拉伸测试，并使用磁强计记录了试样表面的磁场信号。分析了试样表面压磁场的分布及其随载荷的变化情况，并对比了不同方向试样的压磁信号差异，揭示了各向异性钢材在拉伸应力下的压磁反转行为。
材料与制造工艺
材料与制造工艺
本研究中的金属部件采用WAAM技术制造，使用了直径为1毫米的ER70S-6填充丝材。该丝材的化学成分见表1。机器人WAAM系统的设置如图1(a)所示。关键工艺参数（如丝材送进速度和行进速度）总结在表2中。沉积速率保持在每小时1.2千克，每层之间设置30秒的停留时间以确保充分熔合。
微观结构表征
图5显示了沉积区域和层间区域的错位角分布图。图6展示了两个区域的错位角分布直方图。错位角表示相邻晶粒之间的晶体取向角度差异，是理解晶界类型的关键。图5(a)中，沉积区域的晶界分布较为密集且均匀。
结论
本研究揭示了WAAM制造钢材在拉伸应力作用下的显著压磁各向异性行为，并强调了其在增材制造部件中用于应力评估和缺陷检测的潜力。值得注意的是，随着拉伸载荷的增加，压磁参数Hx0与试样取向之间的关系出现了反转现象，反转点大约发生在15千牛顿（15 kN）附近。这种非线性行为突显了该问题的复杂性。
盛宝：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法论设计、资金获取。
严莉：撰写 – 初稿撰写、数据可视化、验证、实验设计、数据分析。
洪静轩：数据分析、数据整理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了浙江省公益技术研究项目（LGF21E090007）的支持。
