热处理对电弧定向能量沉积钨/钢多材料结构力学性能的增强机制研究

本研究针对电弧定向能量沉积（DED）制备钨/钢多材料结构中存在的残余应力高、界面结合弱等关键问题，通过模拟优化获得900°C/120min/5°C·min-1热处理工艺，使抗拉强度提升16%至602±7MPa，断裂位置从界面转移至钢区，为核聚变装置等极端环境用多材料构件性能优化提供重要技术路径。

　　

在极端工程应用领域，将钨合金的高温强度、抗辐射特性与结构钢的韧性优势相结合，构建多材料复合结构，已成为核聚变反应堆第一壁、氦冷偏滤器等关键部件的理想解决方案。然而，这两种材料在热物理性能上存在显著差异——钨的熔点高达3420°C，而钢的熔点仅约1400°C；两者的热膨胀系数（CTE）相差近4倍，这种本征特性差异导致传统连接技术（如扩散焊、爆炸焊）制备的钨/钢界面易产生高残余应力和脆性金属间化合物（IMCs），严重制约结构可靠性。

增材制造技术特别是电弧定向能量沉积（wire-arc DED）为复杂多材料构件制备带来新机遇，但其逐层沉积特性会引发新的挑战：快速热循环过程导致残余应力累积，材料界面的冶金相容性问题进一步加剧，先前研究表明电弧DED制备的钨/钢结构抗拉强度仅521MPa，且断裂均发生在界面区域。如何通过后处理工艺改善界面结合状态、释放残余应力，成为推动该技术工程应用的关键瓶颈。

发表于《Journal of Materials Research and Technology》的研究论文《Mechanical performance enhancement of wire-arc directed energy deposited tungsten/steel multi-material structures through heat treatments》系统探讨了热处理工艺对钨/钢多材料结构性能的优化作用。该研究由Md Abdul Karim、Mahdi Sadeqi Bajestani、Yongho Jeon和Duck Bong Kim合作完成，通过仿真与实验相结合的手段，揭示了热处理过程中微观组织演变规律与力学性能提升的内在关联。

研究采用计算模拟辅助设计热处理工艺参数，通过X射线衍射（XRD）残余应力测量、电子背散射衍射（EBSD）晶粒分析、扫描电镜（SEM）微观表征等技术手段，系统对比了热处理前后材料的应力状态、微观组织演变和力学性能变化。实验采用钨合金（W7Ni3Fe）为基底，IN625镍基合金为中间层，SS316L不锈钢为沉积层，通过电弧DED工艺制备薄壁试样。

材料制备与热处理方法

采用双系统协同沉积策略：GTAW（气体钨极电弧焊）系统沉积IN625中间层（电流180A，电压16V），CMT（冷金属过渡）系统沉积SS316L层（电流106A，电压15.2V）。热处理在900°C保温120分钟后以5°C/min缓冷，该参数通过7组模拟条件优化确定。

残余应力演化规律

模拟显示热处理使纵向残余应力从182MPa tensile转变为55MPa compressive。XRD cosα法检测证实：基体区域应力从拉伸182MPa转为压缩55MPa，沉积层剪切应力从117±35MPa降至42±27MPa。慢冷工艺（5°C/min）较快冷（30°C/min）更有效消除界面应力集中。

微观结构演变特征

热处理引发显著组织转变：W7Ni3Fe基体中钨颗粒从球形变为不规则形状，平均晶粒尺寸从17.12μm细化至10.93μm，γ-(Ni-Fe-W)粘结相分布更均匀。IN625层中Laves-1相粗化并出现针状δ相析出，SS316L层内δ-Fe相分解形成新型Laves-2相（Fe-Ni-Cr-Mo-Nb复合化合物）。

力学性能提升机制

热处理后抗拉强度提升16%（521→602MPa），延伸率从22%增至25%。断裂位置从W7Ni3Fe/IN625界面转移至SS316L沉积层内部，表明界面结合强度显著增强。显微硬度分布显示：W7Ni3Fe基体硬度从345HV升至357HV，IN625层保持239HV，SS316L层稳定在192HV。断口分析揭示：原始状态为钨颗粒解理断裂+粘结相韧窝断裂的混合模式，热处理后呈现纯韧窝断裂特征。

该研究通过多尺度表征证实，900°C/120min/5°C·min^-1热处理可同步实现残余应力消除与组织优化：W7Ni3Fe基体通过溶解-再沉淀机制实现晶粒细化；IN625/SS316L界面通过元素扩散抑制脆性相形成；慢冷工艺有效协调多材料间热膨胀失配。这种热处理策略为大型钨/钢复合结构在核工业领域的应用提供了工艺理论基础，特别适用于聚变堆第一壁、偏滤器等需要承受极端热负荷和辐射环境的关键部件制造。未来研究需进一步探索复杂几何构件的热处理均匀性控制以及长期高温服役下的组织稳定性问题。