《Journal of Materials Research and Technology》：The effect of triple weld bead deposition on the microstructure and microhardness of wire arc additively manufactured ER70S-6 S-curved wall
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电弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）能够高效制造大型钢构件；然而，控制热积累及由此产生的显微组织不均匀性仍是一项重大挑战。在本研究中，研究人员研究了三重焊道沉积策略结合15 min层间停留时间和S形扫描路径对
电弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）能够高效制造大型钢构件；然而，控制热积累及由此产生的显微组织不均匀性仍是一项重大挑战。在本研究中，研究人员研究了三重焊道沉积策略结合15 min层间停留时间和S形扫描路径对冷金属过渡（cold metal transfer，CMT）WAAM制备的ER70S-6低碳钢显微组织和显微硬度的影响。光学显微镜（optical microscopy，OM）和扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）揭示了显著的层内显微组织变化，包括沿焊道/层边界的拉长柱状铁素体晶粒，以及焊道/层中心处晶界上装饰有珠光体样形貌的细多边形铁素体晶粒。电子背散射衍射（electron backscatter diffraction，EBSD）证实：中心区域铁素体晶粒尺寸为20–50 μm，重叠区晶粒更细，边界附近粗大柱状晶超过100 μm并夹杂超细铁素体组分。这些不均匀晶粒结构在单个层内产生周期性硬度波动，并沿整个构建方向使硬度总体增加。所观察到的行为归因于与焊道重叠和延长停留时间相关的循环再加热、部分重熔和非均匀冷却，这些因素控制局部相变和晶粒长大行为。结果表明，所选沉积策略及相关热历史强烈影响WAAM制备低碳钢的显微组织演变和局部显微硬度，为大型结构件的工艺优化提供了有用见解。
论文解读：电弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）以逐层沉积方式直接由数字设计制造近净成形构件，具有几何灵活、材料利用率高和构建效率高等优势；其中冷金属过渡（cold metal transfer，CMT）WAAM以电弧为热源熔化焊丝，沉积速率高、成本较低且适合大型金属结构。然而，WAAM面临热积累、表面粗糙度、残余应力和复杂热历史引起的显微组织各向异性等问题。逐层沉积过程中，已沉积材料经历反复加热和冷却，定向热流产生空间热梯度，可能造成带状组织、微观偏析、晶粒长大和局部相变，最终导致显微组织与性能不均匀。已有研究多集中于单焊道或简单多层沉积策略，对多焊道沉积模式如何影响热循环、周期性晶粒形成及相应力学行为仍认识有限。为此，Sahar Beigzadeh等研究人员采用三重焊道沉积策略，结合15 min层间停留时间和S形扫描路径，制备ER70S-6低碳钢S形曲壁，并利用OM、SEM、EBSD和显微硬度测试研究其显微组织演变、晶粒形貌、晶体学特征及局部硬度响应，以建立多焊道沉积策略、显微组织演变和局部显微硬度之间的关系。该研究为大型WAAM钢构件的过程优化和热管理提供了依据。
关键技术方法：采用Fronius TransPuls Synergic 4000 CMT MV冷金属过渡WAAM系统，ER70S-6焊丝直径0.8 mm，在3轴CNC上按三重焊道S形路径沉积120层，层高约2.1 mm、总高252 mm；参数为120 A、15.3 V、送丝速度10.6 m/min（176.7 mm/s）、行走速度10 mm/s、82% Ar/18% CO
2保护气10 L/min，层间停留15 min，相邻焊道重叠3 mm。从同一S形壁的18 mm（A）、118 mm（B）、232 mm（C）高度取截面样品，经wire-EDM加工后，采用OM、SEM、EBSD、X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography，XCT）和300 g载荷/20 s dwell的维氏硬度（Vickers hardness，HV）测试；EBSD步长300 nm，晶粒重构采用10°取向差阈值，晶粒尺寸以最大Feret直径为主并辅以等效圆直径（equivalent circular diameter，ECD）。
3.1 显微组织分析：通过OM和SEM观察发现，每层三重焊道截面呈重复趋势，即层/焊道边界以大柱状晶为主，层中心以细多边形铁素体晶粒为主。单个层内可区分五个区域：中心焊道边界的柱状晶、柱状晶向等轴晶转变（columnar-to-equiaxed transition，CET）区、熔池中心细多边形铁素体、相邻焊道重叠区最细的等轴/多边形晶粒，以及壁边缘沿热梯度朝壁中心生长的柱状晶并夹有细针状铁素体带。原文以温度梯度G与凝固速率R之比（G/R）解释：高G/R有利于柱状生长，G/R降低或R升高有利于等轴/多边形晶粒形成；15 min层间停留和焊道间时间延迟造成循环再加热、部分重熔和晶粒长大，形成周期性组织。XRD结果（来自同一S形壁的伴随研究）确认α-Fe（体心立方，body-centered cubic，BCC铁素体）为主相；珠光体和贝氏体类组成依据OM/SEM形貌判断。
3.2 EBSD结果：通过EBSD镶嵌图（约2.2×3.4 mm
2）确认边界粗柱状晶和中心细等轴晶。3.2.1 织构分析：七个区域的反极图（inverse pole figure，IPF）显示，区域4和5以沿热梯度的拉长柱状晶为主，最大均匀分布倍数（multiples of a uniform distribution，M.U.D）分别为3.88和4.46；区域2、6、7以细等轴铁素体为主，织构弱，M.U.D≈2；区域1和3呈CET混合形貌。极图显示多数区域取向漫散，柱状区虽有聚集但低于强轧制/变形织构（通常M.U.D为6–8）；整体为弱晶体学织构，受重复热循环、焊道重叠和CET影响。BCC中<100>方向在热梯度下生长最快，导致柱状晶<100>轴近于平行热梯度。3.2.2 晶粒尺寸分析：基于最大Feret直径，晶粒尺寸约2.7 μm至超过100 μm；区域1、2、6、7以细晶为主，区域3、4、5晶粒较大，区域3超过100 μm并与CET位置一致。总体平均约8.8 μm，但面积加权平均低于36 μm；区域5面积加权平均最高（35.23 μm），区域2最低（13.41 μm）；区域4和5虽含大量<10 μm细晶，但少量粗柱状晶占面积大，使面积加权平均分别达32.68和35.23 μm；最小晶粒为2.68 μm（受EBSD扫描分辨率限制）。原文强调单一平均晶粒尺寸不足以表征WAAM组织异质性。3.2.3 子集区域取向差角直方图：七区域低角度晶界（<15°）比例均高于随机Mackenzie分布，表明重复热循环引起位错重排和回复并保留亚晶；等轴铁素体区2、6、7低角度晶界峰值明显，显示回复主导而非完全再结晶；柱状区4、5高角度晶界（>50°）较多，与定向凝固和局部织构一致；区域1、3呈CET中间特征。
3.3 显微硬度与相分数分析：通过维氏显微硬度、SEM相分数和XCT分析发现，EN8钢基体热影响区硬度由250 HV升高至超过350 HV，归因于熔池穿透和局部热处理；沿构建高度硬度总体逐渐升高。层内硬度波动与周期性组织对应，熔池中心平均约182±4 HV，边界约167±4 HV；中心细晶区硬度较高，边界粗晶区较低，但晶粒尺寸并非唯一因素，局部组成和热历史亦有贡献。珠光体含量由样品A的2.1±0.9%增至B的6.3±0.4%、B′的7.4±0.7%和C的9.6±0.9%，平均显微硬度由164±4 HV增至174±6、182±10和183±10 HV；线性回归显示珠光体含量与平均显微硬度强正相关（R
2=0.93；Pearson r=0.962，p=0.038）。XCT未检测到>15 μm的孔隙或内部缺陷，所有样品缺陷体积比（Defect Volume Ratio，DVR）为0.00，排除了可分辨缺陷对组织与硬度变化的解释。
讨论部分总结：原文讨论将周期性显微组织和显微硬度归因于三个交互因素，即15 min层间停留、S形扫描路径固有时间延迟和相邻焊道重叠；这些条件造成循环再加热、热梯度强化以及沿构建方向冷却行为的重复转变，并通过G/R控制凝固形态和晶粒形貌。重复热循环还引起回复、局部相变和珠光体类组成增加，导致层内硬度波动和沿高度硬度上升。原文指出，控制停留时间、焊道重叠和扫描策略对获得均匀性能至关重要，热管理可用于调控组织梯度、降低不均匀性并实现大型WAAM钢构件的位置相关性能设计；未来可结合TEM和局部化学分析研究纳米尺度特征和元素偏析。
研究结论翻译：本研究对基于CMT的WAAM制备ER70S-6低碳钢的显微组织演变和显微硬度变化进行了全面表征。研究人员采用三重焊道沉积策略、15 min层间停留时间和S形扫描路径制备了252 mm高壁，从而系统研究层内和层间梯度。通过EBSD分析、硬度映射和显微组织定量，表明该壁形成了与所选沉积策略所施加的热历史直接相关的、空间周期性的显著特征。主要发现如下：在焊道/层边界与中心之间形成显著晶粒尺寸不均匀性，EBSD显示边界粗大柱状铁素体晶粒超过150 μm，向层中心细多边形铁素体晶粒（20–50 μm）过渡；在焊道/层边界形成局部晶体学织构，最大M.U.D值为4.46，由较高G/R比驱动，有利于定向凝固和柱状晶生长，而层中心在更等轴条件下凝固；在连续层内观察到周期性硬度波动，并与空间变化的显微组织区域对应，反映晶粒形貌、局部组成和热历史的共同影响；珠光体样特征沿构建高度增加，主要出现在焊道/层中心，而形态上与贝氏体组成一致的针状/板条状特征出现在焊道/层边界附近；周期性显微组织和显微硬度模式沿构建方向一直存在，源于三个相互作用的主要因素：(i) 15 min层间停留；(ii) S形扫描路径固有时间延迟；(iii) 相邻焊道重叠。这些条件共同产生循环再加热、强化热梯度和沿构建方向冷却行为的重复转变。总体而言，这些结果表明，由层间停留时间和层内沉积顺序控制的热历史对WAAM制备低碳钢的显微组织和显微硬度响应起主导作用。可重复的周期性显微组织模式的出现，强调当需要均匀性能时，控制停留时间、焊道重叠和扫描策略至关重要。更广泛地，这项工作表明，有意的热管理为定制显微组织梯度、降低不均匀性以及在大型WAAM钢构件中实现位置相关性能设计提供了有力途径。这些见解为未来优化WAAM工艺策略以提高结构可靠性和性能提供了有价值基础。原文作者为Sahar Beigzadeh、Aramuriparambil Santhosh Vishnu、Nicole R. Overman、Simhambhatla Suryakumar、Prahalada Rao和Jeffrey E. Shield。
