通过芯线电弧增材制造技术制备高硼不锈钢：工艺特性、凝固行为及力学性能

《Additive Manufacturing》：Fabrication of high-boron stainless steels via cored wire arc additive manufacturing: Processing characteristics, solidification behavior and mechanical performance

核工业用高硼不锈钢通过带芯电弧增材制造（CWAAM）制备技术研究。采用304/FeB系统制备含硼0.5-2.0wt%的带芯 wires，突破传统高硼不锈钢丝制备瓶颈，实现大尺寸复杂部件制造。研究表明：B含量增加使滴射模式由小滴连续喷射转向大滴接触喷射，熔池形态由深窄型变为浅宽型；B添加降低液相线温度，促进硼化物析出，强度硬度提升但塑性下降，凝固组织由δ/γ主导转向γ+M?B共晶主导。该技术为核级部件的高效制造开辟新路径。

　　

张文军|易浩|曹华军|周涵|罗军

中国重庆大学先进装备机械传动国家重点实验室，重庆400044

摘要

含硼不锈钢（BSS）是一种结构与功能集成的材料，在核工业中具有巨大的应用潜力。为了解决传统制造方法在制备大型复杂BSS部件时的局限性，本研究提出了一种基于芯材线材的电弧增材制造（WAAM）新方法。通过使用含有不同硼含量（0.5 wt%、1.0 wt%和2.0 wt%）的304/FeB芯材线材，有效克服了高硼BSS实心线材制造和加工过程中的技术瓶颈，实现了在WAAM条件下高硼BSS的稳定沉积和致密成形。在此基础上，系统阐明了硼含量变化对加工特性的影响、相关的微观结构控制机制及其对强度和延展性的协同效应。结果表明，通过芯材线材引入硼后，金属传输方式从小液滴喷射传输转变为大液滴接触传输，使得电弧能量分布更加均匀，熔池形态从“深而窄”变为“浅而宽”。硼含量的增加显著降低了液相线温度并促进了硼化物析出，从而改变了凝固方式，从δ/γ主导的凝固转变为γ + M?B共晶主导的凝固。此外，硼的添加通过细化晶粒和促进硼化物引起的位错积累显著提高了材料的显微硬度和强度；然而，随着硼含量的增加，连续分布的脆性硼化物和共晶结构的比例增加，导致延展性下降。总体而言，芯材线材电弧增材制造（CWAAM）实现了高硼不锈钢的致密制备和成分控制，为大型核级BSS部件的制造提供了新的加工途径。

引言

含硼不锈钢（BSS）具有高强度、优异的耐腐蚀性和优异的中子吸收能力，在核电工业中不可或缺。它们特别适用于反应堆控制棒和乏燃料储存架等关键部件[1]、[2]。BSS的屏蔽性能主要取决于其硼含量；然而，硼在奥氏体钢中的溶解度仅限于0.018%-0.026%[3]。随着硼含量的增加，过量的硼会以硬而脆的硼化物形式大量析出，显著降低材料的延展性和加工性能[4]。

目前，BSS的制造主要依赖于传统的铸造和粉末冶金技术，通常还需要后续的热机械加工。在铸造过程中，相对较低的凝固速率会导致粗大的网络状硼化物共晶的形成[5]，这不利于热加工性和成分均匀性[6]。粉末冶金可以产生更细小、更均匀的硼化物[7]、[8]，但受到模具尺寸和复杂性的限制，难以制造大型或几何形状复杂的部件。这些限制严重阻碍了BSS在大型核部件中的应用。

近年来，增材制造（AM）作为一种生产接近净形状、高性能和几何形状复杂金属部件的关键技术，已在航空航天、海洋、汽车和核工业中得到广泛应用[9]、[10]、[11]。在各种AM技术中，电弧增材制造（WAAM）因其高沉积效率、几乎无限的构建尺寸和相对较低的设备成本而受到广泛关注，特别适合制造大型和超大型部件[9]、[12]。然而，高硼钢的加工难度本身给制备适用于WAAM的BSS线材带来了重大挑战。

为了解决难以加工线材的制造难题，线材-粉末混合方法应运而生。这些方法包括同步粉末喂料[13]、层间粉末沉积[14]和芯材线材技术[15]，利用粉末将难熔元素直接引入熔池，从而避免线材拉拔过程中的硬化和脆化问题，并实现灵活的合金设计。其中，芯材线材是一种典型的实现方式，其延展性金属护套包裹着富含硼或其他难以加工的粉末。在沉积过程中，粉末颗粒均匀地送入熔池中，优于原位粉末喂料或分层粉末扩散。芯材线材不仅减少了粉末浪费，提高了沉积效率，还增强了微观结构和成分的均匀性，使其特别适合原位合金化和复合材料制造[16]、[17]。这种方法为核应用中大规模BSS部件的结构-功能集成制造提供了有前景的途径。

总之，传统的铸造和粉末冶金在制造大型和几何形状复杂的BSS部件方面存在根本性限制。为了解决这一关键挑战，本研究首次展示了通过CWAAM制造BSS的方法，为难以加工的高硼不锈钢引入了一种新的增材制造策略。为了克服高硼不锈钢线材拉拔的固有困难，基于304/FeB系统开发了一种创新的芯材线材设计，成功制备了硼含量为0.5 wt%、1.0 wt%和2.0 wt%的BSS线材。此外，系统阐明了CWAAM制备的BSS的加工特性，并建立了非平衡凝固下的微观结构演变与机械性能之间的内在关联。这些发现不仅验证了CWAAM制造高硼不锈钢的可行性，还为高效生产大型复杂BSS部件提供了新途径。

材料准备

材料准备

本研究使用了尺寸为200 mm × 200 mm × 10 mm的商用热轧304不锈钢板作为基底。使用的定制芯材线材直径为1.2 mm，硼含量分别为0.5 wt%、1.0 wt%和2.0 wt%，分别命名为304B0.5、304B1.0和304B2.0。所选硼含量在ASTM A887–89规定的核级含硼不锈钢推荐范围（0.2–2.25 wt%）之内

成形特性

为了系统研究CWAAM过程中芯材线材的沉积行为，采用了高速摄像系统（2000 FPS）实时捕捉液滴传输特性，如图4所示。典型的CMT液滴传输周期包括三个阶段：电弧点燃和线材喂料、短路液滴传输以及线材回缩后电弧重新点燃。在整个周期中，原始304实心线材的电弧保持相对

硼添加对液滴传输和熔池行为的影响

如前所述，实心304线材主要通过小液滴连续喷射传输进入熔池，而在添加硼并制成芯材线材后，液滴传输方式明显转变为大液滴接触传输。在电弧增材制造过程中，液滴传输行为主要受电弧力和液滴粘度的共同影响[32]。首先，在本研究中，所有四种材料均在相同的条件下进行打印

结论

基于使用芯材线材的原位合金化策略，本研究系统研究了硼含量对CWAAM条件下不锈钢的可成形性、非平衡凝固行为、微观结构演变和机械性能的影响。该研究不仅全面评估了硼对增材制造结果的影响，还阐明了熔池行为、凝固动力学等背后的机制

作者贡献声明

罗军：撰写、审稿与编辑、监督。曹华军：监督、方法学、资金获取。周涵：撰写、审稿与编辑、方法学。易浩：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。张文军：撰写-初稿、方法学、研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明与本研究无利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（T2421001、52375306）、新重庆青年创新人才项目（CSTB2025YITP-QCRCX0097）、重庆市自然科学基金（CSTB2023NSCQ-LZX0137、CSTB2025NSCQ-GPX0728）以及重庆市技术创新与应用发展专项项目（CSTB2024TIAD-STX0016）的支持。