高沉积速率电弧增材制造（WAAM）制备低碳钢的微观结构与力学性能研究及其强化机制探讨

本综述系统探讨了采用高沉积速率电弧增材制造（WAAM）技术制备低碳钢的工艺特性、微观结构演变与力学性能关联。研究通过对比高功率（10.3 kW）与低功率（2 kW）工艺参数，揭示了沉积策略对显微组织（如贝氏体/针状铁素体混合相、 allotriomorphic铁素体及碳化物析出）的调控作用，并阐明其与强度（屈服强度335 MPa，抗拉强度560 MPa）和延性的内在联系。结果表明，尽管高功率导致强度略有下降，但其力学性能仍与低沉积速率WAAM制备的低碳钢相当，为大型金属构件的高效制备提供了理论依据与技术支撑。

　　

Highlight

本研究通过GMAW（气体保护金属极电弧焊）基WAAM工艺，采用高沉积速率成功制备了低碳Fe-0.09%C–1.10%Cr–1.47%Mn–0.59%Si–0.56%Mo–0.11%Ni–0.23%V钢大尺寸块体样本，系统分析了高（10.3 kW）与低（2 kW）功率参数对组织与性能的影响。

Thermal cycles

对比样本中心多层沉积过程中的热循环曲线发现（图2），低功率（2 kW）样本因热输入较低，峰值温度显著降低，单层沉积时间长达400秒；而高功率（10.3 kW）样本因热源移动速度更快，沉积时间缩短至190秒，热积累更显著，导致冷却速率差异，进而影响相变行为与组织演化。

Conclusion

本研究得出以下结论：

1. 1.
   采用提出的沉积策略成功通过WAAM制备出高致密度无缺陷大尺寸钢样本。为稳定侧表面成形，工件外围采用低功率（2 kW）沉积，内部采用高功率（10.3 kW）填充，实现了高效成形与组织控制。
2. 2.
   高功率样本主要由针状铁素体主导，含少量allotriomorphic铁素体与碳化物析出；低功率样本则为贝氏体/针状铁素体混合组织。相尺寸与分数受工艺参数与热历史调控，直接决定力学行为差异。
3. 3.
   高功率工艺虽导致强度略有下降（屈服强度335 MPa，抗拉强度560 MPa），但力学性能与低沉积速率WAAM制备的低碳钢相当，证实了高沉积速率工艺在大尺寸构件制造中的可行性。
4. 4.
   讨论了组织形成机制（如相变路径、碳化物析出动力学）与力学性能（如强化机制）间的构效关系，为优化WAAM工艺参数提供了理论依据。