一种创新的原位气相合金化方法，应用于电弧增材制造中，用于控制凝固模式并设计混合不锈钢

《Materials & Design》：A novel in-situ gas-phase alloying approach in wire arc additive manufacturing for controlling solidification mode and designing hybrid stainless steels

本研究采用气相合金化技术调控激光增材制造（WAAM）中双相不锈钢的凝固模式，通过优化保护气体中的氮含量（Ar+2% O2+10% N2），成功实现δ-铁素体向γ-奥氏体的主导凝固转变，形成连续奥氏体基体与少量铁素体析出的微结构。实验表明，高氮条件下材料强度提升11%，同时保持优异延展性，实现高强度与高韧性协同。热力学模型与EBSD分析验证了氮对相稳定及晶格取向的影响机制。分隔符

　　本研究探讨了一种基于热力学指导的气体相合金化方法，用于在焊丝电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）过程中提升双相不锈钢的性能。通过调控保护气体中的氮含量，实现了从δ-铁素体向γ-奥氏体的主固相转变，从而形成一种氮富集的合金，其具有连续的奥氏体基体，结合了双相钢的强度与优异的延展性。该方法的核心在于利用气体相合金化技术，在不改变焊丝成分的前提下，通过调控熔池的化学组成，从而实现对最终微观结构和机械性能的精准控制。这一策略不仅为材料设计提供了新的可能性，还为提升WAAM工艺的性能表现提供了创新的路径。

双相不锈钢因其独特的双相结构而广受关注，其由约等量的面心立方（FCC）奥氏体和体心立方（BCC）铁素体组成。这种双相结构赋予了双相钢出色的强度和韧性，同时具备良好的耐腐蚀性。然而，其延展性受到双相结构中缺乏连续均匀基体的限制。相比之下，奥氏体不锈钢以其连续的奥氏体基体和优异的延展性著称，但通常其强度较低。因此，开发一种兼具双相钢强度与奥氏体钢延展性的新型材料成为研究的重点。

本研究通过调整保护气体中的氮含量，成功实现了从δ-铁素体向γ-奥氏体的主固相转变，形成了所谓的“混合不锈钢”结构。该结构结合了双相钢的化学组成与奥氏体钢的微观特征，从而实现了对材料性能的优化。实验表明，氮富集的样品表现出更高的强度、延展性以及硬度，且其机械性能在各个方向上接近各向同性。这些性能的提升主要归因于氮在奥氏体基体中的固溶强化作用，以及其对固相结构的稳定作用，从而避免了因固相分离而导致的性能劣化。

在研究方法上，本研究采用了一种基于热力学-动力学建模的策略，通过Thermo-Calc软件预测氮在熔池中的溶解和保留情况。研究选择了不同氮含量的保护气体（如Ar + 2% O? + 4–10% N?），并计算了不同气体配比下熔池中氮的吸收量和最终含量。基于这些预测，研究确定了最佳的气体配比，并通过实验验证了其有效性。结果表明，当氮含量达到约0.7%时，熔池中的主固相由δ-铁素体转变为γ-奥氏体，从而形成了更均匀的微观结构。

实验采用了一系列微观结构和机械性能分析方法，包括光学显微镜、电子背散射衍射（EBSD）和维氏硬度测试等。结果显示，氮富集的样品（HN）表现出连续的γ-奥氏体基体，以及细小的δ-铁素体分散分布，而氮贫乏的样品（LN）则呈现出δ-铁素体基体，其中γ-奥氏体以孤立岛屿形式存在。这种结构差异直接反映了固相模式的改变，且在HN样品中，晶粒取向分布更广泛，表明其内部存在更多的晶界错位，从而提高了材料的强度和硬度。

在机械性能方面，HN样品展现出显著优于LN样品的性能。例如，其屈服强度和抗拉强度均有所提升，同时延展性也得到了改善。此外，HN样品的硬度提高了约11%，这与氮在奥氏体基体中的固溶强化作用密切相关。值得注意的是，尽管HN样品具有明显的晶体取向特征，其机械性能在不同方向上表现出接近各向同性的特性。这一现象表明，虽然晶体取向可能影响材料的某些性能表现，但通过优化氮含量，可以有效抑制这些影响，从而实现更均匀的性能分布。

研究还发现，氮富集对材料的微观结构和性能提升具有重要的协同效应。一方面，氮的添加促进了γ-奥氏体的形成，从而提高了材料的强度；另一方面，其在奥氏体中的固溶强化作用进一步提升了材料的硬度和韧性。这种双重效应使得HN样品在机械性能上表现出色，而LN样品则由于其主要由δ-铁素体构成，表现出较低的强度和延展性。此外，HN样品的裂纹形态显示其为典型的韧性断裂，而LN样品则显示出更明显的脆性特征，这进一步验证了氮对材料性能的积极影响。

在研究过程中，还对不同方向上的机械性能进行了详细分析。结果显示，HN样品在水平和垂直方向上的机械性能几乎一致，而LN样品则表现出一定的方向性差异。这一结果表明，氮的添加不仅优化了材料的化学组成，还有效降低了晶体取向对性能的影响，从而实现了更均匀的机械性能。这种性能的各向同性对于需要承受复杂应力状态的结构件尤为重要，因为它减少了因材料各向异性而可能导致的性能不均问题。

此外，研究还通过X射线衍射（XRD）和EDS元素分布图谱对材料的相组成和元素分布进行了验证。结果表明，HN样品中γ-奥氏体的体积分数显著高于LN样品，且δ-铁素体的分布更为分散。这与热力学模拟结果一致，进一步验证了氮对固相模式的调控作用。同时，研究发现，尽管HN样品中存在较多的低角度晶界（LAGBs），但其分布较为均匀，有助于提高材料的塑性变形能力，从而增强其韧性。

本研究的成果为WAAM工艺中材料性能的优化提供了新的思路。通过调控保护气体中的氮含量，可以在不改变焊丝化学成分的前提下，实现对固相模式和微观结构的精准控制。这种策略不仅减少了对特殊焊丝的需求，还降低了实验成本和时间，提高了工艺的可操作性。此外，该方法还可用于其他合金体系的性能优化，为增材制造领域提供了更广泛的材料设计可能性。

研究还指出了未来可能的研究方向。例如，当前实验中采用了2%的氧气以稳定电弧，但这也导致了氧化夹杂物的形成。这些夹杂物虽然在实验中被发现分布均匀，但仍可能对材料的性能产生一定影响。因此，未来的研究可以探索使用惰性气体（如氦气或氢气）作为电弧稳定剂，以减少氧化夹杂物的生成，从而进一步提升材料的机械性能。此外，还可以研究不同氮含量对材料微观结构和性能的进一步影响，以确定最佳的氮添加比例。

本研究的结论表明，通过气体相合金化技术，可以在WAAM过程中实现对双相不锈钢的性能优化。这种方法不仅为材料设计提供了新的途径，也为提升增材制造工艺的性能表现提供了有力支持。通过精准控制氮的添加，可以有效调控固相模式，形成更均匀的微观结构，从而提升材料的强度、硬度和延展性。同时，这种策略还能够减少材料的各向异性，提高其在复杂应力条件下的可靠性。

综上所述，本研究展示了通过气体相合金化技术在WAAM过程中调控双相不锈钢固相模式的可行性。氮的添加不仅提高了材料的强度和韧性，还改善了其微观结构的均匀性，为未来开发高性能的结构材料提供了理论基础和实验支持。这一方法具有广泛的适用性，可为增材制造领域的材料设计和工艺优化提供新的思路和工具。