《Progress in Additive Manufacturing》：Microstructure, crystallographic texture, and enhanced wear and hardness properties of 2 wt.% Nb-modified 316L stainless steel fabricated by wire arc additive manufacturing at different deposition orientations
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摘要：丝弧增材制造（WAAM）已成为21世纪高度可靠的制造技术，因其成本效益高、生产时间短且材料浪费少。与其他增材制造技术如选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）相比，WAAM提供了显著更高的沉积速率、更低的原料成本以及更大的大型金属构件生产能力。基于
摘要：丝弧增材制造（WAAM）已成为21世纪高度可靠的制造技术，因其成本效益高、生产时间短且材料浪费少。与其他增材制造技术如选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）相比，WAAM提供了显著更高的沉积速率、更低的原料成本以及更大的大型金属构件生产能力。基于这些优势，WAAM在需要大型结构件和复杂几何形状的行业中获得了广泛关注。WAAM尤其擅长制造复杂几何形状。然而，缺陷仍然是WAAM沉积不锈钢面临的一个重大挑战。本研究旨在探讨铌（Nb）添加对不同建造取向和层间时间下WAAM沉积316L不锈钢的微观结构特征、力学性能和力学行为的影响。研究人员在三种沉积取向（0°、67°和90°）及2分钟和5分钟的层间时间条件下制备了WAAM沉积316L不锈钢立方体。添加2%的Nb旨在改性微观结构并提升沉积材料的力学和摩擦学性能。利用电子背散射衍射（EBSD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）进行了详细的微观结构表征。这些技术用于分析晶粒形态、相分布、晶体学取向以及沿建造方向的微观结构变化。通过硬度测量和干滑动磨损试验评估了力学和摩擦学性能。采用销盘式摩擦磨损试验机进行磨损实验，以研究WAAM沉积材料的摩擦系数（COF）和磨损行为。结果表明，建造取向显著影响沉积材料的摩擦学性能。对于0°取向，摩擦系数范围为0.57至0.64，而67°取向显示出略低的COF，范围为0.55至0.58。2% Nb的添加有助于改善微观结构稳定性和增强磨损性能。本研究的创新点在于将Nb引入WAAM制造的316L不锈钢中，以改善其微观结构特征、力学和摩擦学性能。
研究背景、现存问题与研究意义
丝弧增材制造（WAAM）凭借其低成本、短周期和高材料利用率等优势，成为21世纪极具前景的大型金属构件制造技术。相较于选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM），WAAM具备更高的沉积速率和更低的原料成本，尤其适用于大型复杂几何结构件的制造。然而，WAAM沉积的不锈钢材料普遍存在组织缺陷，影响了其综合性能。奥氏体不锈钢316L虽应用广泛，但其强度相对不足，限制了其在严苛工况下的应用。已有研究表明，向不锈钢中添加合金元素（如Ti）可细化晶粒并提升强度，但通常伴随延展性下降。因此，如何在不显著牺牲塑性的前提下，有效提升WAAM成形316L不锈钢的微观结构稳定性、硬度及耐磨性，成为亟待解决的关键科学问题。本研究旨在通过在316L不锈钢中添加2 wt.%的铌（Nb），探究其对不同建造取向（0°、67°、90°）和层间停留时间（2 min、5 min）下WAAM沉积试样微观结构、力学及摩擦学性能的影响，为开发高性能WAAM不锈钢构件提供理论依据和技术支撑。
主要关键技术方法
研究人员采用气体金属电弧焊（GMAW）作为热源的WAAM系统，以直径1.2 mm的316L不锈钢实心焊丝为原料，并添加2%的Nb金属颗粒，在SAE 1020钢基板上进行沉积。共制备了六种不同参数的立方体试样，涉及两种沉积策略（混合路径HY和之字形路径ZZ）以及三种搭接角度（0°、67°、90°）。微观结构表征采用了电子背散射衍射（EBSD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）。力学性能通过维氏硬度测试评估，摩擦学性能则采用销盘式摩擦磨损试验机在室温、10 N载荷下进行干滑动磨损试验。
研究结果
3.1 微观结构表征
通过SEM分析发现，所有试样的微观组织主要由γ-奥氏体和δ-铁素体两相组成，并伴有富Nb的拉夫斯相（Laves phases）。在0°取向试样中，微观组织呈现蠕虫状和板条状铁素体形态，且随层间时间延长，Nb偏析和Laves相更为明显。67°取向试样显示出更细小的微观结构，但Nb偏析和夹杂物更为显著。90°取向试样则表现出最低的孔隙率。EDS分析证实了富Nb区域的存在，包括Fe?Nb、Cr?Nb等化合物，这些细小弥散的白色颗粒起到晶粒细化和弥散强化的作用。
4 电子背散射衍射（EBSD）分析
低分辨率EBSD分析显示，所有沉积条件下的材料均保持完全奥氏体（FCC）结构，同时检测到NbC和Fe?Nb型Laves相。0°沉积产生经典的柱状晶组织，晶粒沿建造方向（BD）外延生长，形成强烈的<001>纤维织构。67°沉积导致热梯度倾斜，产生斜向柱状晶和竞争生长，织构强度减弱。90°沉积则显著破坏了外延生长，形成混合柱状-等轴晶组织，织构最为弥散。层间时间从2 min增加到5 min，促进了沉淀相的粗化和织构强度的降低。
高分辨率EBSD进一步揭示了织构演变细节。0°-2 min条件显示强<101>和<001>取向；0°-5 min条件由于热松弛增强，取向带更加均匀，沿BD的定向凝固更强。67°-2 min条件呈现多种FCC纤维组分的竞争；67°-5 min条件则形成偏离BD的大范围取向带，产生离轴织构。90°-2 min条件显示<111>取向增加，外延性减弱；90°-5 min条件组织趋向等轴化，织构显著弱化。Nb的添加在0°-5 min条件下最有效地稳定了织构。
5 硬度测试
硬度测试结果表明，0°取向、2 min层间时间的试样获得了最高的硬度值（460-483 HV），0°-5 min试样的硬度也较高（430-450 HV）。这归因于对称的热输入、稳定的熔池以及均匀的Nb分布，促进了二次NbC析出强化。相反，67°-5 min取向的试样硬度最低（约360 HV），这与该条件下NbC析出效率降低、δ-铁素体含量减少以及枝晶粗化有关。总体上，2% Nb的添加显著提高了316L不锈钢的硬度，主要归功于碳化物强化和固溶强化效应。
6 X射线衍射分析
XRD分析在所有样品中均检测到强烈的γ-奥氏体衍射峰，确认了FCC基体的主导地位。同时，在所有样品中都观察到一个微弱的δ-铁素体α(110)峰，表明保留了少量铁素体，这与Nb和Cr的铁素体稳定化作用一致。未检测到其他金属间化合物或碳化物的独立衍射峰，暗示SEM/EBSD中观察到的NbC颗粒尺寸过小或体积分数极低。不同沉积角度和层间时间对整体相构成影响不大，但2 min和5 min条件下γ(111)和γ(002)峰的相对强度存在细微差异，反映了层间再加热过程中的织构演变。
7 磨损测试
摩擦磨损试验结果显示，所有试样的摩擦系数（COF）随时间演变曲线相似，均经历跑合期后进入稳态。0°取向试样的COF范围为0.57-0.64，而67°取向试样的COF略低，为0.55-0.58。层间时间对COF影响不显著。磨损形貌光学显微镜观察显示沿滑动方向存在平行犁沟，表明磨粒磨损机制占主导。Nb的添加通过提高局部硬度和阻碍微犁削沟槽扩展，增强了微磨粒磨损抗力。所有试样的平均重量损失约为20 g。
总结与结论
本研究成功通过WAAM技术制备了含2% Nb的316L不锈钢，并系统研究了建造取向和层间时间对其微观结构、硬度和摩擦学性能的影响。研究结论如下：
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建造取向显著影响微观结构和织构演变。0°取向促进强的<001>纤维织构和柱状晶生长；67°取向产生离轴织构；90°取向则导致混合柱状-等轴晶组织和弥散织构。
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较短的层间时间（2 min）有利于获得更高的硬度，尤其是在0°取向下，硬度可达483 HV，这归因于更有效的NbC析出强化和更细的微观组织。
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添加2% Nb使WAAM沉积的316L不锈钢展现出稳定且相对较低的COF（0.55-0.64），并且在不同沉积条件下表现出一致的摩擦学行为，显示出良好的抗磨粒磨损性能。
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本研究的创新性在于将Nb引入WAAM制造的316L不锈钢中，有效改善了微观结构稳定性、硬度和耐磨性，为制造高性能、耐磨损的WAAM不锈钢功能构件提供了可行途径。
