综述：使用电弧增材制造技术制造316L不锈钢和Inconel 625功能梯度材料的优势、劣势及策略概述 G. Lima Antunes 和 J. P. Oliveira

《Metals》：An Overview of the Benefits, Drawbacks and Strategies Used for the Fabrication of 316L Stainless Steel and Inconel 625 Functionally Graded Materials Using Wire Arc Additive Manufacturing G. Lima Antunes and J. P. Oliveira

　　摘要 电弧增材制造（WAAM）是一种高效、低成本的技术，可用于制造大规模金属部件，尤其是功能梯度材料（FGMs）。本综述重点关注通过基于电弧的WAAM工艺制造316L不锈钢-Inconel 625 FGMs，探讨了气体金属电弧焊（GMAW）、气体钨电弧焊（GTAW）和等离子电弧焊（PAW）在微观结构结果、成分控制策略、残余应力形成以及机械性能方面的表现。从文献中得出的一项关键发现是，316L和Inconel 625之间的直接成分界面相比平滑梯度策略能够实现更高的抗拉强度和延展性，并降低残余应力，这是因为在梯度构建过程中会形成有害的次级相，如δ相、Laves相和MC碳化物。此外，还讨论了埋弧增材制造（SAAM）作为未来大规模FGM制造的高沉积速率替代方法的潜力。本文指出了包括稀释控制、Laves相形成、残余应力管理和梯度区域腐蚀表征在内的主要挑战，并提出了推进基于电弧的FGM组件工业应用的研究方向。

1. 引言
功能梯度材料（FGMs）因其能够针对特定应用定制材料属性而在研究和工业界引起了广泛关注[1]。近年来，由于FGMs能够根据具体应用调整局部性能（如强度、硬度、耐腐蚀性、耐磨性、高温稳定性和减重），其发展迅速。这种适应性是通过控制化学成分和微观结构的梯度来实现的[2]。根据梯度结构的不同，FGMs可以分为连续型和阶梯型两种：连续型梯度中材料属性在整个体积内平滑变化，从而实现不同微观结构和成分之间的逐渐过渡；而阶梯型梯度则由具有不同微观结构和属性的独立层组成，这些层由明确的界面分隔。这两种方法各具优势，连续型梯度适用于需要无缝材料属性过渡的应用，而阶梯型梯度则适用于每层具有特定且明确性能的多层组件[3]。设计和调整局部材料梯度的能力使得FGMs在传统均质材料无法满足要求的场景下成为理想选择。例如，在某些应用中，材料需要同时满足多种功能需求，如轻量化同时在高温、腐蚀性和氧化环境以及长时间中子辐照下具有优异的抗性[4]。
直到最近，要实现这种多功能性通常需要使用紧固件或焊接将具有不同成分和性能的合金连接在一起。然而，这种做法往往会对设计造成显著限制，因为结构必须经过优化以减少紧固件上的应力并适应焊接所能实现的有限几何形状。尽管如此，由不同金属制成的接头仍然容易发生应力集中和加速降解，其机械性能往往远低于单独基础材料的性能[5,6,7]。FGMs的多功能性设计可能性使其在能源采集、电子、国防和航空航天、汽车、生物医学工程、骨科植入物和核工业等领域具有广泛的应用前景。
在众多用于FGMs的材料组合中，316L不锈钢和Inconel 625的结合引起了极大的兴趣。316L不锈钢因其出色的耐腐蚀性、良好的机械性能和相对较低的成本以及易于加工而得到广泛应用，成为化工处理、海洋和生物医学领域的常见结构材料。相比之下，Inconel 625是一种镍基超级合金，以其卓越的高温强度和出色的抗氧化性、抗蠕变性和抗腐蚀性而闻名。将这两种材料结合成功能梯度结构可以在单个组件中利用每种合金的优点。例如，在暴露于中等条件下的区域，组件可以从316L的结构可靠性、良好的耐腐蚀性和相对较低的成本中受益；而在承受更高温度、腐蚀性更强或机械载荷更大的区域，则逐渐过渡到Inconel 625。这种方法能够更有效地分配材料属性，优化性能，同时可能减少昂贵镍基超级合金的整体使用量。因此，316L不锈钢和Inconel 625在功能梯度结构中的结合为设计具有局部优化性能的组件提供了有前景的途径。
两个工业实例说明了这种材料组合的实际相关性。在海底油气系统中，不锈钢管道与镍合金部件之间的过渡接头在酸性服务环境中容易发生应力腐蚀开裂；通过使用316L–Inconel 625 FGM，可以消除这种 discrete 接头，同时使大部分结构采用成本更低的316L制造[8]。在核工业应用中，反应堆内部部件和压力边界结构必须同时承受辐射、高温和腐蚀性primary冷却剂的影响；通过梯度过渡，仅在最应力大、温度最高的区域使用Inconel 625，而其余部分则使用316L，从而提高结构效率。

2. 方法
本综述通过Scopus、ScienceDirect和Google Scholar等科学数据库进行了全面的文献搜索。使用的关键词包括“电弧增材制造”（WAAM）、“埋弧增材制造”、“功能梯度材料”（FGM）、“双金属结构”、“316L Inconel 625增材制造”和“不同金属焊接316L Inconel”。采用这些词的各种组合以确保覆盖所有使用增材制造技术制造功能梯度材料的研究。搜索范围涵盖了2014年至2025年初的出版物，特别强调了2019年及以后的研究，以保持与当前技术水平的同步。只有那些报告了关于不同或多种材料系统电弧沉积实验结果的文章才会被考虑纳入，优先考虑经过同行评审的期刊文章、会议论文、书籍章节和综述文章，这些文献要么对该主题提供了实质性综合，要么提供了其他地方无法获得的一手数据。专注于金属FGMs的研究被排除在本综述范围之外。收集的文章随后根据所使用的电弧工艺类型和研究的材料系统进行了分类，具体内容将在后续章节中讨论。

3. 316L不锈钢和Inconel 625的基本知识
3.1. 不锈钢
奥氏体316L不锈钢的化学成分如表1所示，在各个行业领域以其结合了出色的耐腐蚀性、优异的焊接性和机械延展性而闻名。其合金化学成分通常包含16–18 wt.%的铬、10–14 wt.%的镍和2–3 wt.%的钼，碳含量严格控制在0.03 wt.%以下。铬形成保护性的钝化氧化膜，镍稳定了奥氏体结构，钼增强了抗氯化物引起的点蚀和缝隙腐蚀的能力。低碳含量减少了热循环过程中形成铬碳化物（M23C6）的风险，而在其他合金等级中这可能导致局部腐蚀[9,10]。
表1. 316L不锈钢的化学成分（重量%）
316L不锈钢因其耐腐蚀性和可加工性而在化工和食品加工设备、制药和生物医学设备、海洋环境以及饮用水系统中得到广泛应用。与其他高碳等级相比，其焊接性尤为出色。多项研究[11,12,13]表明，316L具有适中的强度（屈服应力通常约为200 MPa，抗拉强度约为500 MPa）以及优异的延展性。即使在零下温度下，其韧性也保持较高，因此也适用于低温应用。然而，这种合金也有其弱点。当材料在敏感化温度范围（450–900 °C）内暴露足够长时间时，例如在焊接工艺不佳或高温热处理后冷却缓慢的情况下，主要风险就会出现。铬碳化物会在晶界处沉淀，耗尽周围的铬，从而破坏钝化膜并导致晶间腐蚀，严重影响焊接部件的长期耐腐蚀性[14]。通过添加钛或铌进行稳定处理可以缓解这一问题，但可能会降低高温强度或增加成本，因此316L需要在适当的焊接控制下才能实现成本效益。最近的表面分析显示，氯离子可以穿透氧化层中的富氢氧化物层，破坏钝化膜，但预钝化处理可以通过在氧化层中富集铬和钼来显著提高耐腐蚀性[15,16]。

3.2. Inconel 625
Inconel 625是一种镍基超级合金，其化学成分如表2所示。它专为需要在低温和高温下都具有高强度的应用而设计，同时具备出色的耐腐蚀性和在热应力及机械应力下的结构稳定性。其成分（通常Ni ≥ 58 wt.%; Cr: 20–23 wt.%, Mo: 8–10 wt.%, Nb + Ta: 3.15–4.15 wt.%）产生单相奥氏体（γ）基体，并通过固溶强化和某些条件下的沉淀机制，从而实现独特的性能组合[16,17]。该合金表现出优异的机械性能。退火后的Inconel 625通常具有约470 MPa的屈服强度、约935 MPa的抗拉强度和约55%的延伸率，适用于结构和承压部件[19,20]。在高温（高达1000 °C）下，Inconel 625仍保持相对于许多结构钢的优异抗拉强度和延展性，尽管在某些应变率下可能会出现晶间裂纹。在耐腐蚀性方面，Inconel 625在海洋、化工处理和高温环境中表现出色，能够抵抗点蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀，即使在恶劣的酸性或含氯介质中也是如此。这种韧性归因于其高铬和钼含量以及惰性的镍基体[20]。应用范围包括海洋海水部件、化工厂设备、涡轮机部件、换热器、油气系统和航空航天发动机零件[19]。然而，某些热诱导相可能会影响其性能。在大约923至1148 K的温度范围内，特别是在焊接或增材制造过程中，可能会析出γ″（Ni3(Nb, Al, Ti)）、δ相（Ni3(Nb, Mo)）和碳化物或Laves相[17]。在控制条件下，γ″和δ相可以增强合金的性能，但如果分布粗大或不均匀则可能导致脆化。在快速凝固或Nb/Mo含量较高时，Laves相和碳化物可能在晶间区域形成，从而降低塑性。这些相通常可以通过热处理（约1148 K下处理数小时）溶解，以恢复延展性或抗蠕变性[17,19,21]。

4. FGMs的制造
目前关于FGMs的大部分研究集中在陶瓷和金属材料的组合上，但增材制造（AM）的最新进展也探索了金属FGMs的设计。其中，铜-不锈钢的组合因其能够结合铜的高导热性和不锈钢的优异耐腐蚀性而受到关注。这种组合广泛应用于熔融反应堆、换热器和炊具中，其中热性能和耐腐蚀性都很重要[4]。类似地，铝-钢双金属部件因铝的优异耐腐蚀性而受到重视。这些材料应用于氧气再生器和电解精炼设备中，其中在腐蚀条件下的耐久性至关重要[4,5]。镍-钢组合虽然由于材料性质不同而难以制造，但提供了出色的机械性能。这些组合表现出优异的耐腐蚀性、抗辐射损伤和抗高温蠕变性，使其在核反应堆和燃气轮机等苛刻应用中不可或缺[6]。此外，Inconel 718这种镍基超级合金也常与奥氏体不锈钢结合使用。这种组合在航空工业和一些核电站中得到广泛应用，这些地方需要在高应力条件下保持高性能[4,5]。不同类型钢材的组合可以为特定需求提供定制解决方案。低碳钢可以与奥氏体不锈钢结合，以实现强度和延展性的平衡[3]。其他值得注意的组合包括马氏体钢与工具钢的组合以增强硬度[11]，铁素体钢与奥氏体钢的组合以提高热稳定性，以及马氏体钢与奥氏体不锈钢的组合以改善机械性能[7]。最近的进展进一步凸显了这些材料组合的潜力。例如，Ahsan等人[22]使用低碳钢（LCS）和奥氏体不锈钢制备了双金属结构（BMS），随后进行了热处理。这种创新方法显著提高了材料的机械性能，包括最终抗拉强度（UTS）提高了25%，屈服强度（YS）提高了35%，伸长率提高了250%。这些提升归因于将沉积后的LCS铁素体微观结构转变为铁素体-贝氏体结构，这表明这样的组合能够满足现代工程挑战的需求。这些创新继续扩展了在高性能应用中使用功能梯度材料（FGMs）的可能性。在讨论的材料配对中，316L不锈钢与Inconel 625的组合是在基于电弧添加制造（WAAM）的FGMs制造中研究最广泛的之一。其相关性不仅源于两种合金的互补性能，还源于工业上对能够在广泛温度范围、机械载荷和腐蚀环境中运行的多功能组件的需求。以下部分将探讨用于制造这种及相关材料系统FGMs的电弧WAAM工艺，以及为解决这些问题而开发的冶金挑战和沉积策略。

5. 316L和Inconel 625的连接及直接接头中的相形成
奥氏体不锈钢316L和Inconel 625经常被用于需要同时抵抗机械应力和化学应力的组件中。它们的基体化学成分已经预示了直接熔接的挑战：316L含有约16–18%的Cr和约10–14%的Ni以及低量的C，以保持稳定的奥氏体基体和耐腐蚀性，而Inconel 625含有≥58%的Ni、约20–23%的Cr以及大量的Nb和Mo，这些元素通过固溶和偏析控制沉淀来增强合金。这些不同的化学成分以及不同的熔化范围，加上热膨胀和凝固行为的差异，在合金熔合时会产生强烈的梯度，从而促进偏析和非平衡相的形成[23]。

对于316L来说，在异种焊接中的主要冶金风险是 sensitization（敏感化）。例如，在焊接热循环过程中，富铬碳化物可能在奥氏体晶界处沉淀，局部耗尽Cr并降低晶间耐腐蚀性。在多道次或高温输入的焊接过程中，还会出现σ相，这可能是由于残留δ铁素体的共晶分解或在富Cr区域的新晶核形成，进一步使热影响区变脆。这些转变取决于时间-温度暴露、焊接化学成分（特别是C和Cr）以及熔合边界附近的局部扩散路径[24,25]。

对于Inconel 625来说，富Ni熔体与富Fe稀释剂接触时的凝固会导致Nb和Mo向晶间液相中偏析。冷却时，这些溶质富集区会形成Nb-/Mo富集的MC型碳化物和Laves金属间化合物；这两种相都会使混合熔合区变硬并变脆，在Inconel 625的焊接沉积物和覆层中已有充分记录[26]。Laves的倾向随着Nb、Mo甚至Si含量的增加而增强，Fe的稀释会降低Nb/Mo在γ-Ni中的溶解度并加剧偏析。在异种接头中，这通常表现为熔合线Inconel侧的硬度升高和韧性降低[27,28]。由于Fe和Ni在奥氏体中是相互溶融的，大部分混合熔合区以γ相形式凝固，具有逐渐变化的Fe/Ni比例。然而，固化路径和重熔留下的化学不均匀性可能会产生“未混合区”和局部成分峰值，在这些地方可以形成σ相、富铬碳化物和Laves。最近对Inconel-奥氏体不锈钢异种焊接的回顾强调了这些反复出现的特征（未混合区、元素偏析、Laves形成、敏感化和微裂纹）是降低焊接状态下机械性能和耐腐蚀性的主要微观结构风险[3]。

实验研究证实了这些机制。例如，一项比较316L–Inconel 625异种焊接（使用电弧或高功率焊接源）的研究表明，在Inconel 625富集侧存在显著的Nb/Mo偏析，在不锈钢界面附近发生成分耗尽，只有当使用基于Ni的消耗品时才能获得最佳的韧性和耐腐蚀性，从而限制了有害的稀释[23]。类似关于316L上Inconel 625涂层的报告（包括线弧增材制造（WAAM）/包覆）描述了柱状和等轴枝晶，其中包含晶间Nb-/Mo富集相，这些相集中了硬度并降低了冲击能量，除非通过控制工艺参数来限制偏析[23]。

6. 在316L与Inconel 625连接中使用中间层：方法、结果和文献示例
为了缓解直接熔焊过程中的偏析、敏感化和残余应力问题，一种广泛采用的策略是在完成接头前在一侧或两侧插入中间层。对于316L–Inconel 625异种合金对，最常见的中间层是Ni基填充材料（例如ERNiCr-3/82、ERNiCrMo 3/625）或作为薄缓冲层沉积的Ni-Fe合金。由于镍在不锈钢和Inconel 625中的高溶解度，它可以形成平滑的化学桥接，而富Ni的缓冲层可以防止碳转移，从而抑制不锈钢界面的敏感化[29]。控制研究表明了这些好处。在316L与Inconel 625的异种GTAW焊接中，使用ERNiCr 3/ERNiCrMo-3填充材料制成的接头表现出更合适的过渡区、更少的Laves网络和更好的冲击能量，相对于使用不锈钢填充材料或大量Fe稀释的接头而言[23]。一项比较ERNiCr-3、316L和混合“扭曲”填充材料的研究表明，Ni基填充材料提供了更好的韧性和耐腐蚀性，有效减少了Inconel 625富集区域的Fe稀释[23]。

分级策略进一步发展了这一理念：在最终连接Inconel之前，在不锈钢侧沉积一层薄的Ni或Ni-Fe缓冲层。关于带有缓冲层的高温涂覆（ERNiCr-3/ENiCrFe-3）的研究表明，引入含Ni的中间层可以减少界面处的硬质金属间化合物含量，使硬度分布更加均匀，并提高弯曲/冲击性能，特别是对于厚截面的多道次焊接。针对核能和压力边界应用的研究指出，缓冲层将最关键的微观结构反应从316L的热影响区（HAZ）转移开，并降低了异种界面处的残余应力集中[30]。

最近在包覆和增材制造背景下的研究也得出了类似的结论：在这些配置中，中间层既起到化学缓冲作用，也起到热机械缓冲作用，减少了电偶效应的严重性，并适应了热膨胀系数（CTE）的不匹配[27,31]。文献综合提出了316L–Inconel 625接头中间层的三个设计原则。首先，在316L上直接放置富含Ni的缓冲层，以防止碳辅助的敏感化，并保持不锈钢热影响区（HAZ）中的钝化膜完整性。其次，限制最终Inconel富集层的Fe稀释，以减少晶间Laves/MC沉淀，通常需要低稀释参数或分级顺序（316L → Ni或Ni-Fe缓冲层 → 625）。第三，通过微观化学映射、硬度分析、冲击/弯曲测试和腐蚀测量来验证中间层是否实现了预期的微观结构控制。总体而言，这些实践在韧性和局部耐腐蚀性方面始终优于直接接头，同时通过将昂贵的Ni填充材料限制在关键区域，实现了经济使用。重要的是，最近的研究表明，即使富Fe的中间层也能产生成功的结果，特别是当有意作为分级过渡层引入时。例如，在一项混合增材制造研究中，依次沉积ER70S6碳钢（通常富含Fe的填充材料）和Inconel 625，实现了强大的结合，而没有在界面形成脆性金属间化合物。界面微观结构保持清洁，界面表现出约452 MPa的剪切强度，断裂行为表现为韧性凹陷和断裂而不是脆性断裂。这一结果表明，当使用适当的工艺（如WAAM结合激光定向能量沉积LDED）时，富Fe的中间层可以作为钢和镍超级合金之间的有效过渡层[32]。

这些结果表明，不仅在Ni基中间层，Fe基中间层在适当的操作条件下也能发挥作用，特别是当增材制造技术允许对稀释、热循环和微观结构进行严格控制时。关键是尽量减少有害相（如Laves、碳化物和σ相），并确保清洁的冶金结合。

7. 用于FGMs制造的方法
焊接行业中普遍认识到，在不同合金之间实现强冶金结合是一项具有挑战性的任务。这可以通过考虑物理冶金的基本原理来理解。合金设计通常涉及仔细平衡各种元素的比例，并优化热机械加工条件，以产生具有一致微观结构和性能的材料[33]。即使是从预定成分和/或施加的热历史中略有偏差，最多也会略微改变材料的性能，而在最坏的情况下，可能会引入不希望的相，从而损害其最关键的性能（例如延展性、强度或耐腐蚀性）。因此，引入具有中间成分或微观结构的接头是一项困难的任务。

当连接机械和热物理性质差异显著的合金时，不可避免地会产生尖锐的界面，这进一步加剧了这些挑战。一般来说，成功的异种合金接头至少要与两种基础材料中较弱的一种一样强。然而，合金之间的突然梯度变化可能会成为制造和服务过程中残余应力集中的优先位置，从而导致仅靠任一基础材料都无法出现的过早失效。成分的突然变化还会产生化学势梯度，推动合金元素和杂质的迁移。这种迁移会加剧现有的失效机制，在某些情况下，不匹配的特性（如热导率或熔点）甚至可能阻止某些连接工艺的成功应用[33]。

焊接行业还开发了各种材料分级技术，特别是为了应对异种金属接头中的挑战，这些接头通常涉及尖锐的界面。用于制造异种金属接头的焊接和连接工艺包括电弧焊接、激光和电子束焊接、摩擦搅拌焊接、钎焊、扩散焊接和爆炸焊接。虽然对于异种金属接头并不总是需要大量的成分分级，但通常使用不同的填充金属和中间层来解决溶解度、热膨胀不匹配、稀释和其他兼容性问题。然而，真正的分级接头仅在传统焊接技术的有限情况下成功实现[29,34]。

自从引入FGMs的概念以来，已经开发了多种制造方法。其中，化学气相沉积（CVD/PVD）和物理气相沉积（PVD）以及等离子喷涂特别适用于沉积功能梯度热障涂层（TBCs）。同样，激光包覆工艺提供了更大的灵活性，能够沉积密集的表面涂层，以增强现有组件的耐磨性和耐腐蚀性。然而，这些工艺的沉积速率相对较慢，不适合制造整体部件，仅用于表面处理[35]。相比之下，粉末冶金为FGMs的整体生产提供了更可行的选择。这种方法涉及混合、堆叠和压制粉末，以实现所需的空间材料分布，然后使用离心力、热等静压或固态烧结等技术进行固化。尽管粉末冶金可以生产整体部件，但它有局限性，包括对部件尺寸和形状的限制，以及可能出现的孔隙问题，这取决于粉末的性质和使用的固化方法。此外，不同材料的烧结参数可能有很大差异，从而复杂化了多材料部件的制造[35]。

8. 用于制造功能梯度材料的线弧增材制造技术
WAAM作为一种有前途的技术，因其高沉积速率、原料材料的灵活性以及在单次构建过程中可以沉积多根线材的能力而受到青睐[36]。在WAAM系统中，可以通过顺序切换填充线材或同时供给多根线材并调整其进料速率来实现材料分级。这种能力允许在不同材料之间逐渐过渡，从而生产出具有定制性能的多材料结构。电弧工艺固有的高热输入也有助于层间的冶金结合，这对于实现分级结构中的强界面至关重要[36,37]。以下小节重点介绍了应用于316L不锈钢-Inconel 625功能梯度材料（FGMs）制造的基于电弧的焊接增材制造（WAAM）工艺，以及与之密切相关的类似系统。这些内容涵盖了工艺特点、报道的微观结构结果和与这种材料配对直接相关的机械性能数据。根据所使用的焊接工艺，WAAM可以进一步分类，包括气体金属电弧焊（GMAW）、气体钨电弧焊（GTAW）、等离子弧焊（PAW）和埋弧焊（SAW）。

8.1 基于GMAW和GTAW的FGM焊接增材制造
气体金属电弧焊（GMAW）和气体钨电弧焊（GTAW）是线材电弧增材制造（WAAM）中最广泛使用的两种电弧焊接工艺，也因此被广泛应用于功能梯度材料（FGMs）的逐层制造中。尽管它们基于相同的基本原理（利用电弧熔化金属原料），但在电极类型、热输入可控性、沉积速率和电弧稳定性方面存在显著差异，这使得它们在不同的制造条件下具有各自的优势[38,39]。
GMAW通常根据所使用的保护气体被称为MIG（金属惰性气体）或MAG（金属活性气体）焊接。它使用连续供给的消耗性线材电极，该电极同时充当导电体和填充材料。在线材尖端和工件之间建立电弧，并以受控的恒定速率从线轴中补充电源。同轴流动的保护气体（通常是氩气、氦气、氩气/二氧化碳混合物或其他活性气体混合物）可以防止熔融焊池受到氧气、氮气和氢气的污染。GMAW的一个显著特点是其金属转移模式，该模式决定了熔融液滴从线材上脱离并沉积到焊池中的方式。在短路转移模式下，线材尖端以高频率接触焊池，产生较低的热输入和最小的飞溅，适用于薄截面材料和全位置焊接。在喷射转移模式下，细小的轴向定向液滴以高速率被喷射出来，产生最小的飞溅和较高的沉积效率，需要80%以上的氩气含量和较高的电流水平。脉冲喷射转移是一种先进的变体，它使用脉冲电源在峰值电流和背景电流之间切换，从而在降低的平均热输入下保持喷射转移的稳定性，这在长层构建过程中的WAAM中特别有价值[38,39]。
一种广泛研究用于WAAM的GMAW变体是冷金属转移（CMT），该工艺在液滴脱离过程中利用机械辅助的线材回退机制来减少热输入并几乎消除飞溅。与传统GMAW相比，CMT及其脉冲变体在多材料WAAM构建中表现出更好的孔隙率控制和改善的微观结构均匀性，使其特别适用于FGM的制造[40]。
相比之下，气体钨电弧焊使用不可消耗的钨电极来产生电弧，而填充材料则通过自动线材送丝机单独引入。由于电极不会熔化到焊池中，因此热输入和填充材料的添加可以被独立控制：焊接电流决定了传递给工件的能量，而线材送丝速率和移动速度决定了单位长度内沉积的材料体积。高纯度的氩气或氦气提供保护，对于钛和镍基超合金等活性合金来说，这种保护作用至关重要。这种热源与材料输送之间的解耦是GTAW在FGM应用中的主要优势，因为它允许精确调整熔池大小、穿透深度以及在每层过渡处不同材料之间的稀释比例[38,39]。
GMAW由于其较高的沉积速率和相对稳定的电弧特性而成为WAAM中最常用的工艺之一。基于GMAW的WAAM特别适合制造FGMs，因为双线材送丝系统可以轻松调整不同材料在沉积过程中的相对比例，从而在单层沉积壁内实现可编程的成分梯度[38,39]。
例如，Sasikumar等人[41]利用基于GMAW的WAAM工艺制造了由316L不锈钢和镍基超合金Inconel 625组成的功能梯度结构。研究报道了两种材料之间无缺陷的双金属界面和良好的冶金结合。微观结构分析显示界面附近有树枝状结构，并且通过能量分散光谱（EDS）证实了元素分布均匀。作者得出结论，该工艺成功制造出了具有良好机械性能的梯度不锈钢-镍合金结构。
另一个例子是使用GMAW-WAAM制造的三材料FGM，结合了ER316L不锈钢、双相钢ER2205和Inconel 718[42]。研究表明，合金之间的逐渐过渡带来了沿构建方向改善的拉伸强度和显微硬度。微观结构检查显示，在不锈钢区域有柱状晶粒，在Inconel区域形成了碳化物和Laves相。在这种系统中，Laves相的形成归因于非平衡凝固过程中Nb和Mo在枝晶间的偏聚，这种现象在含有铁的钢与Inconel合金的混合物中尤为明显，如果含量过高，可能会损害延展性和耐腐蚀性[43]。
另一方面，与GMAW相比，GTAW对热输入和电弧稳定性有更好的控制能力，适用于需要精确控制熔池和材料间稀释的应用。尽管GTAW的沉积速率通常较低，但它能更好地控制成分梯度并减少添加过程中的飞溅[38,39]。
一项使用GTAW电源的双线材电弧增材制造研究制造了316L不锈钢到Inconel 625的FGM，评估了直接界面策略和平滑成分梯度策略两种方法。两种方法都产生了无裂纹、无孔隙和无裂纹的构建。同步辐射X射线衍射分析显示，平滑梯度策略促进了次级相的形成，而在直接界面构建中这些相不存在，具体来说，在含有60-80 wt.% Inconel的区域中形成了δ相（Ni3Nb）、σ相和MC碳化物，这是由于铁含量的升高破坏了Inconel基体并驱动Nb和Mo在枝晶间偏聚。中子衍射测量进一步表明，平滑梯度FGM产生的残余应力显著高于直接界面FGM，这一结果挑战了长期以来认为平滑梯度本质上更有利于应力缓解的观点。在机械性能方面，直接界面FGM达到了更高的最终拉伸强度和断裂伸长率，而断裂分析证实直接界面构建主要表现为延性断裂，而平滑梯度构建则表现出混合的延性/准脆性失效模式，这归因于断裂位置存在TCP相[44]。
在平滑梯度构建中，线材送丝比率在多个沉积层中逐步调整，这意味着沉积物在多个通过过程中穿过60-80 wt.% Inconel 625的成分范围。每层随后都会重新加热先前沉积的材料，使Laves、δ (Ni3Nb)、σ和MC碳化物的沉淀温度保持在700-900 °C的范围内，从而实现长时间的热累积[45]。这一范围内的高Fe含量降低了Nb和Mo在γ-Ni基体中的溶解度，但不会阻止它们在枝晶间偏聚[29]，创造了有利于这些有害相异质核化的热力学和动力学条件。相比之下，直接界面策略在单次或很少几次通过中就突然从100% 316L过渡到100% Inconel 625线材，减少了在中间成分下停留的时间，从而限制了这些相的核化和粗化的驱动力和动力学窗口。
一项比较研究还检查了使用GTAW和GMAW工艺进行WAAM沉积时的差异。结果表明，GTAW提供了更高的工艺稳定性和更好的熔池控制，尽管GMAW产生了更平滑的壁面和更高的沉积效率[46]。这种权衡在更广泛的WAAM文献中得到了一致的支持，最终选择哪种工艺取决于特定应用所需的生产率和冶金控制的平衡。对于大型结构部件，如果构建时间和材料成本是主要考虑因素，GMAW较高的沉积速率和较低的环境影响使其成为首选。对于需要严格控制成分梯度或涉及反应性和高价值合金的精密部件，GTAW更优越的电弧稳定性和独立的热量和填充材料控制使其尽管吞吐量较低仍然具有优势[47]。
值得注意的是，支持直接界面优于平滑梯度策略的结论主要得到基于GTAW的双线材WAAM研究和Zhu等人[48]的优化梯度工作的支持。对于PAW-WAAM，现有的证据是间接的，来自类似的双金属系统，而不是专门针对316L-Inconel 625构建的研究。对于GMAW，所回顾的研究报告了一致的结果，但没有系统地比较在不同参数条件下的界面策略。因此，这一结论在所有电弧工艺、热输入范围和沉积顺序中的普遍性仍有待实验验证，应被视为一个有充分支持的假设，而不是一个普遍确立的原则[48]。
无论采用哪种电弧工艺，WAAM制造的FGMs都面临一些共同的冶金挑战。沉积过程中的反复热循环会显著影响微观结构演变、晶粒生长和相变[36,37]。因此，通过空闲时间管理或主动冷却策略控制层间温度对于确保整个构建高度的尺寸和微观结构重复性至关重要。此外，逐层沉积引起的定向凝固会产生沿构建方向排列的柱状晶粒，导致机械性能各向异性。后处理技术如层间轧制或超声冲击处理可以促进晶粒细化并减轻这种各向异性。

8.2 基于PAW的FGM焊接增材制造
等离子弧焊（PAW）是另一种WAAM变体，其特点是等离子电弧高度集中，能量密度高于气体钨电弧焊（GTAW）。在PAW中，通过迫使电离的保护气体通过围绕不可消耗钨电极的小直径铜喷嘴来限制电弧，将电弧能量集中在比GTAW开放电弧更小的区域内。结果，电弧能量密度大约是GTAW的三倍，从而实现了更深的穿透、更高的焊接速度和更好的电弧稳定性[49]。PAW使用两种气体：一种是用于形成等离子柱的等离子气体（通常是氩气或氩气/氢气混合物），另一种是围绕喷嘴同轴输送的保护气体，用于防止熔池氧化。与GTAW一样，电极是不可消耗的，填充材料通过自动线材送丝机单独引入[50]。这些特性使得PAW具有更深的穿透、更好的电弧稳定性和对熔池的更好控制，有利于制造具有强冶金结合和精细微观结构的FGMs。Ding等人报告说，包括基于等离子弧的沉积在内的电弧增材制造工艺能够在沉积过程中产生密集的金属结构，因为热源集中且电弧行为稳定[51]。
比较基于PAW和GMAW的316L不锈钢沉积的研究揭示了两种工艺在微观结构和机械性能方面的差异。研究观察到奥氏体基体中分布有δ-铁素体，PAW制造的样品由于热源更集中和固化的结构更精细而表现出更高的显微硬度值。多项研究指出，在WAW沉积的316L中保留δ-铁素体是一个积极的结果，因为δ-铁素体可以提高抗热裂纹的能力，并有助于提高沉积物的整体强度[52]。同样，Williams等人研究了不同的电弧增材制造技术，并强调等离子弧系统提供了比GTAW基工艺更好的熔池稳定性和更深的穿透，这可以在逐层沉积过程中增强层间的结合[53]。
PAW在多材料和梯度结构中的使用也已被研究，特别是在结合具有不同相稳定性的不锈钢系统时。一项研究通过使用等离子丝材电弧增材制造工艺，在AISI 316LSi奥氏体不锈钢和AISI 430铁素体不锈钢上交替沉积层，制造了一种多材料层状结构。全面的微观结构表征显示两种沉积钢之间以及沉积层与基底之间的良好可焊性。在层界面观察到了一个分级的双相（α–γ）结构，微观和宏观硬度测试表明界面处的相比各自的基材料更硬，这与存在混合的铁素体-奥氏体微观结构一致[54]。研究证实，PAW–WAAM在沉积不同线材材料时具有特别的优势，因为熔池和电弧的稳定性允许实施各种线材混合策略而不会中断工艺。通过结合Inconel 740H超级合金和P91钢的双金属材料的研究进一步说明了基于PAW的WAAM FGMs的界面挑战。微观结构表征显示界面处有一个大的梯度区，其中晶粒粗糙，并且在梯度区观察到了晶间裂纹。非平衡凝固模拟确定了裂纹的两个根本原因：由于MC碳化物的形成导致体积热膨胀系数的突然变化以及局部热残余应力的发展[55]。作者得出结论，在两个沉积层之间引入分级中间层而不是直接界面，将有助于实现无缺陷的双金属材料构建。这一发现强调了在多材料WAAM中选择沉积策略的重要性，这一考虑同样适用于GMAW、GTAW和PAW工艺。基于电弧的增材制造过程中固有的热循环也在微观结构发展中起着重要作用。关于基于电弧的金属材料沉积的研究表明，制造过程中的反复加热和冷却会导致沿着构建方向的方向性晶粒生长，从而形成柱状树枝晶微观结构。这些热效应可以影响机械性能和残余应力的发展，突出了在等离子电弧增材制造过程中控制工艺参数（如热输入、行进速度和层间温度）的重要性[49]。在PAW–WAAM中，大规模构建过程中的热量积累是一个特别值得关注的问题。随着连续层的沉积和构建高度的增加，热 dissipation 率降低，导致层间温度逐渐升高，这可能导致更粗的晶粒结构、更高的氧化物形成风险以及上层构建物中更大的变形和残余应力积累[56]。尽管有这些优势，但在增材制造中应用PAW时仍存在几个挑战。等离子电弧的高能量密度可能导致大规模构建过程中过度的热量积累，从而导致热影响区域的变形、残余应力和微观结构粗化。此外，维持工艺稳定性需要仔细控制等离子气体流量、焊接电流和沉积速度等参数。PAW系统在机械上也比GMAW或GTAW设置更为复杂，需要双气体回路、等离子喷嘴和引弧点火系统，这增加了资本成本和维护要求。尽管如此，基于PAW的WAAM由于其能够生产具有良好冶金完整性和相对精细微观结构的致密金属材料，继续吸引着越来越多的研究兴趣，使其成为制造功能分级和多材料组件的有前景的技术[51,56]。表3提供了每种电弧变体所应用的关键工艺参数和典型FGM系统的比较概述。表3. GMAW、GTAW和PAW工艺在基于WAAM的FGM制造中的比较。8.3. FGM制造的WAAM挑战尽管WAAM在FGM生产中具有显著优势，但仍存在几个挑战。主要问题之一是控制不同材料之间的稀释，以避免形成脆性的金属间相[36]。如第5节所讨论的，熔化温度、热膨胀系数和凝固行为的差异可能导致分级区域内的残余应力和裂纹。沉积过程中的重复热循环会显著影响微观结构演变、晶粒生长和相变。在某些情况下，这些热循环可以促进均匀化和改善结合，而在其他情况下可能导致晶粒粗化或合金元素偏析[36,37]。在316L–Inconel 625系统中，一个特别重要的冶金挑战是在分级结构的Inconel富集区域形成Laves相。由于凝固过程中Nb和Mo的偏析，Laves相在树枝晶界处沉淀，这一过程由于316L侧的铁稀释而加剧，减少了这些元素在γ-Ni基体中的溶解度。虽然可以通过高于大约1148 K的温度进行沉积后的固溶热处理部分溶解Laves相，但这样的处理可能会同时粗化晶粒结构或改变316L富集层中的δ-铁素体含量，使得热处理参数的选择需要仔细考虑[3,57]。残余应力的发展是WAAM逐层沉积策略固有的另一个关键挑战。沉积过程中产生的热梯度会引起残余应力，这些应力可能导致服务载荷下的变形、裂纹或过早失效。对316L-Inconel 625 T-WAAM FGMs的中子衍射测量表明，对于平滑梯度界面，残余应力在构建方向上可以达到高达468 MPa的值，是直接界面构建的两倍多。因此，通过控制停留时间、强制冷却或主动反馈系统来管理层间温度对于限制整个构建高度上的应力积累至关重要[44]。由逐层沉积驱动的方向性凝固还会产生优先沿着构建方向排列的柱状晶粒，导致机械性能的各向异性。研究表明，在沉积工序之间进行原位轧制可以有效细化柱状晶粒结构，使其变为等轴形态，减少位错密度梯度，并改善WAAM 316L的拉伸和疲劳性能的各向同性[58]。在高于1000 °C的温度下进行的沉积后热处理进一步改善了轧制WAAM组件的强度-延展性平衡，尽管在中间温度（大约650 °C）下的热处理会促进δ-铁素体形成σ相，从而增加硬度的同时降低延展性[24]。WAAM制造的FGMs的腐蚀行为也值得特别关注。对316L不锈钢的PAW–和GMAW–WAAM的研究表明，不同工艺之间的热输入差异可以显著影响δ-铁素体的含量和分布，进而影响沉积物在腐蚀介质中的电化学响应[25]。在分级的316L–Inconel 625结构中，中间组分区域尤其值得关注，因为Fe富集区和Ni富集区之间的电偶合作用可能在涉及氯化物介质或高温的服务环境中产生局部腐蚀、敏化或点蚀的优先位置[20,52,59]。对线弧增材制造的梯度钢组合的微观结构和腐蚀行为的研究证实，分级区域显示出与单体端部件不同的电化学活性，强调了腐蚀表征作为WAAM制造的FGMs认证的一部分的重要性。8.4. 使用Inconel 625和316L FGMs的WAAM研究多项研究专注于使用不同的WAAM策略制造316L–Inconel 625 FGMs，研究了诸如成分控制、微观结构演变、残余应力发展和分级结构所得机械性能等方面。一项重要的研究调查了使用双丝电弧增材制造（T-WAAM）制造316L/Inconel 625 FGMs[44]。在这项工作中，评估了不同的沉积策略，包括直接界面和平滑的成分过渡。结果表明，两种材料之间的分级过渡显著影响了残余应力和机械性能。直接界面显示出更高的抗拉强度和延伸率，而平滑的过渡有助于减少残余应力并改善分级区域内的成分均匀性。该研究强调了多丝WAAM系统在多材料组件中控制成分梯度的潜力。两种样品的残余应力剖面如图1所示。图1. 样品三个主要方向（c）的残余应力：(a) FGM 100–100（直接界面）；(b) FGM 5（平滑界面）。最近的研究还探索了在WAAM制造的FGMs中SS316L和Inconel 625之间的优化成分梯度[48]。该研究表明，调整两种合金的进给速率可以精确控制分级区域内的成分过渡。研究报道，某些成分范围（大约20 wt.% Inconel 625）导致机械性能下降和裂纹倾向增加。然而，增加过渡区中的Inconel含量改善了显微硬度和抗拉性能，同时消除了裂纹。这些发现强调了在多材料WAAM结构中仔细设计梯度路径的重要性。图2显示了这些机制的的照片和观察到的裂纹。(a) 100 wt.% SS 316L；(b) 100 wt.% SS 316L和80 wt.% SS 316L的双金属界面；(c) 80 wt.% SS 316L；(d) 60 wt.% SS 316L；(e) 40 wt.% SS 316L；(f) 20 wt.% SS 316L。除了两种材料的FGMs外，一些研究人员还探索了涉及碳钢、不锈钢316L和Inconel 625通过WAAM制造的多材料分级结构[60]。在这种方法中，不锈钢作为中间层，以提高碳钢和镍基超级合金之间的冶金兼容性。微观分析显示316L层的奥氏体基体中存在δ-铁素体，而Inconel 625区域由于其高铌含量，在树枝晶界区域含有Nb富集的Laves相。机械测试显示分级结构中的硬度逐渐变化，证明了使用WAAM生产连续性能过渡的多材料结构的可行性。另一项研究评估了FGMs在构建状态和热处理后的微观结构和机械性能[61]。结果与先前的研究一致，最终结构中的316L不锈钢表现出比单体316L结构更低的延展性。然而，与其他报告不同的是，FGMs显示出强结合的界面，这一点通过高的硬度值得到证实。这种行为归因于外延界面层相对于先前沉积层的晶粒的晶粒生长。热处理导致δ-铁素体含量减少了大约16–20%，从而提高了硬度和机械性能。此外，更长的热处理时间促进了更大的晶粒取向不良，特别是在靠近双金属界面的区域[61]。还研究了沉积顺序对所得微观结构和机械性能的影响[62]。结果表明，沉积顺序对316L不锈钢或Inconel 625的微观结构没有显著影响。然而，最终结构中的δ-铁素体和Laves相的相对量受到了影响。由于两种合金的熔点不同，316L–Inconel 625界面显得更加明显不同，而Inconel 625–316L界面显示出更多的元素混合，这促进了更大比例的Laves相的形成。仅在Inconel 625–316L界面上观察到裂纹，这可能与合金元素扩散和Laves相的形成有关。硬度值保持在两种合金的典型范围内。机械测试显示，对应于316L不锈钢的区域发生延性断裂，而对应于Inconel 625的区域则表现出更脆性的断裂行为，断裂主要发生在之前检测到裂纹的Inconel 625–316L界面附近[62]。Xiaoyan等人进一步研究了通过双丝等离子弧增材制造制造的由316L不锈钢和Inconel 625组成的FGMs的微观结构和机械性能[63]。成功地制造出了一个功能分级的结构，其不锈钢与Inconel 625的比例为50 wt.%。所得微观结构主要由柱状和等轴树枝晶组成，层间距离沿着构建方向增加。观察到从FCC到BCC相的逐渐过渡，晶粒生长优先沿着?001?方向发生。在成分梯度内，由于沉积过程中的重熔效应，识别出三种不同的成分。能量色散光谱（EDS）分析显示过渡区域存在次要相，而含有100 wt.% Inconel的区域显示了Laves相的形成。硬度值随着316L含量的增加而降低，随着Inconel比例的增加而增加。Liu Wei等人采用了不同的方法，他们通过垂直和水平沉积制造试样来研究构建方向的影响[64]。总体而言，界面几乎没有缺陷，主要在稀释程度上有所不同。水平沉积的试样显示出较低的稀释程度和更加不均匀、波浪状的界面形态。与大多数先前报道的研究类似，在Inconel区域发现了Laves相，而不锈钢主要由奥氏体组成，δ-铁素体位于晶界处。电子扩散谱（EDS）分析显示，不锈钢层中的镍（Ni）扩散不均匀，导致过渡区域的成分突然变化，并伴随着铌（Nb）、钼（Mo）和碳（C）在晶界处的偏聚。这些微观结构的不连续性可能是导致垂直堆叠样品的拉伸性能低于水平沉积样品的原因。Motwani等人[40]也报告了类似的研究结果，他们研究了采用电弧增材制造（WAAM）技术生产的Inconel 625和316L不锈钢双金属结构。他们的研究表明，当最终结构没有裂纹时，机械测试过程中的断裂主要发生在316L不锈钢一侧，并且通常是韧性断裂。相比之下，当断裂发生在Inconel 625区域时，总是观察到元素偏聚和次生相的存在，从而导致更脆性的断裂行为。总体而言，这些研究证明了316L–Inconel 625是一对冶金上兼容的材料组合，适用于基于WAAM的FGM（功能梯度材料）制造，在适当的沉积条件下可以实现良好的界面结合和奥氏体相的连续性。然而，Laves相的持续形成、在60–80 wt.% Inconel范围内识别出的成分依赖性不稳定窗口、残余应力水平对沉积策略的敏感性以及沉积顺序和构建方向对裂纹敏感性的影响，共同表明该系统存在尚未完全解决的重大冶金挑战。因此，将这一系统描述为广泛适用于基于WAAM的FGM制造可能会高估其当前成熟度；更为准确的评估是，它代表了一种有前景但要求较高的材料组合，其成功实施需要仔细优化沉积策略、成分路径、热管理和后处理流程。表4总结了WAAM 316L–Inconel 625 FGM制造中的关键机制相互作用。

9. 潜弧增材制造：原理、当前应用及未来FGM制造的潜力
潜弧增材制造（SAAM）是一种创新工艺，结合了电弧增材制造（WAAM）的精确性和灵活性以及成熟的潜弧焊接（SAW）原理。这种方法已成为制造大型高强度部件的显著解决方案，特别适用于需要卓越结构可靠性和成本效率的行业。通过使用潜弧工艺，SAAM能够实现高效、高质量的材料沉积，使其成为制造大型部件的同时将材料浪费降至最低的有吸引力的选择[65,66]。

9.1. 潜弧焊接的原理
潜弧焊接（SAW）属于电弧焊接技术类别，可以自动或半自动进行。在此过程中，电弧在裸露的消耗电极和工件之间在保护性惰性气体氛围中维持。SAW以其高材料沉积率而闻名，特别适用于水平焊接位置[67]。使该工艺与其他焊接方法区别开来的是，电弧完全浸没在颗粒状焊剂中，在操作过程中不可见。这一特性不仅减少了热量损失，还使过程的热效率超过90%。操作SAW需要自动送丝机构、恒定电压电源和数字控制系统等关键组件，这些组件需要稳定且均匀的电源供应。自动送丝系统确保填充丝的连续供应，而颗粒状焊剂则从料斗中以受控方式分配，为焊接区域提供保护气氛，提高焊接效率和效果，并向熔池中提供合金元素[67]。图3展示了潜弧焊接设备的示意图。SAW焊接的接头具有高强度和韧性，氢和氮含量低。该工艺广泛用于需要对接焊或带凹槽的角焊的应用中。其多功能性使其适用于汽车制造、铁路设备生产、大型工程结构、造船、压力容器制造、管道焊接和储罐建造等行业。

SAW焊接的质量和热影响区（HAZ）受多种焊接参数的影响，包括焊接电流、电压、送丝速度、焊剂类型和整体焊接条件。调整这些参数可以显著影响焊接质量和性能，因此仔细控制对于获得最佳结果至关重要[35,67]。提高传统潜弧焊接（SAW）工艺生产力的努力主要集中在增加焊接电流和焊接速度上。然而，这些方法也存在局限性。较高的焊接电流通常会导致欠焊、焊缝鼓起和严重的接头变形等问题。另一方面，增加焊接速度可能导致中心线裂纹和未完全穿透等缺陷[35,37]。一种替代方案是使用多丝SAW工艺，它在提高焊接生产力方面有显著改进，特别是对于连接中至厚板材时。然而，多丝焊接的引入显著增加了工艺参数的复杂性，使得确定最佳焊接条件变得具有挑战性[37]。为了有效应用SAW和多丝SAW工艺，全面定量理解工艺变量如何影响焊接质量是必不可少且难以实现的。

迄今为止，已经进行了大量研究来通过各种实验方法研究SAW工艺参数对焊接质量的影响[35,67,68]。尽管针对多丝SAW工艺的类似研究仍在进行中，但随着研究人员努力优化这项先进焊接技术，这些研究正在获得进展。焊接电流、电压、极性、焊接速度、电极直径、电极伸出长度以及电极相对于焊缝的倾斜角度在决定SAW工艺中的电极和焊剂熔化速率、焊缝尺寸和整体接头性能方面起着关键作用[35]。Robinson等人[69]研究了焊接电流和极性对单丝SAW工艺中电极和焊剂熔化速率的影响。他们的研究发现，增加焊接电流会导致电极和焊剂的熔化速率都提高。在不同极性中，电极熔化速率在直流负极（DCEN）条件下最高，其次是交流（AC）和直流正极（DCEP）在相同电流下的结果。相反，焊剂熔化速率在交流极性下最高，随后是直流负极和直流正极在较高电流水平下的结果。研究人员认为这是因为在直流负极条件下电极尖端的表面温度较高，导致形成更大的液滴和更快的熔化速率。此外，降低电弧电压会增加电极熔化速率，但会降低焊剂熔化速率。较低的电弧电压缩短了电弧长度，增加了电极伸出长度和电阻加热，从而提高了电极熔化速率。然而，较短的电弧长度降低了焊剂熔化速率。

9.2. 潜弧增材制造
SAAM在航空航天、石油和天然气、海洋工程和能源等行业尤为重要，这些行业对可扩展且可靠的制造解决方案的需求持续增长。SAAM中使用的潜弧工艺具有固有的热控制能力，可以减少残余应力和变形，同时保持均匀的微观结构特性[66,70]。这些优点，加上高沉积率和材料多功能性，使SAAM成为先进制造中的创新方法，其解决增材制造常见问题的能力使其成为研究和工业应用中的热门焦点。SAAM的工艺机制结合了逐层材料沉积与原位内在热处理，包括多层渗透退火、过共晶退火和回火。这种组合确保了微观结构的均匀性，同时最小化了残余应力，这对于保持制造部件的机械完整性至关重要[66]。与其他增材制造方法（如WAAM）不同，SAAM实现了更高的沉积率和更高的热效率，从而导致层间质量的一致性和减少后处理需求[71]。此外，该工艺对多种材料的适应性，特别是高强度低合金（HSLA）钢，使其在各种工业应用中的用途更加广泛[66]。高强度低合金钢，如X80级管道钢，由于其韧性和抗疲劳性，是SAAM的主要材料[66]。这些钢在结构应用中至关重要，例如天然气管道运输，其中机械可靠性至关重要。SAAM制造的部件的微观结构主要由多边形铁素体组成，这有助于实现强度和韧性的良好结合。这是通过过程中的受控热循环实现的，同时也减少了各向异性，确保了各向同性的机械性能[65,66]。垂直和水平方向之间的抗拉强度均匀性突显了SAAM克服其他增材制造方法常见方向弱点的能力。此外，通过精细的微观结构演变，该工艺显著提高了抗疲劳性。

SAAM的应用广泛且影响深远。如前所述，在石油和天然气行业中，它在使用X80级钢制造高性能管道方面发挥了关键作用。这些管道表现出优异的韧性和抗疲劳性，使其适用于由于压力波动引起的循环载荷条件。SAAM的成本效益进一步增强了其吸引力，因为它减少了材料浪费和缩短了生产周期。在航空航天和海洋工程中，SAAM能够制造轻质、结构坚固的部件，如螺旋桨、压力容器和起落架组件。SAAM的近净成形能力符合行业对材料效率和快速生产的关键要求[66]。除了这些传统应用外，SAAM在军事、核能和汽车制造等新兴领域也越来越受欢迎，其能够使用高价值材料生产拓扑优化的部件提供了竞争优势。然而，尽管具有优势，SAAM仍面临一些限制，特别是在制造复杂几何形状和管理沉积过程中的热问题方面。SAAM面临的最大挑战之一是其处理复杂几何形状的能力。虽然该工艺适用于大型简单结构，但在处理复杂设计中的精细细节和尖锐过渡方面存在困难[66,71]。SAAM使用的逐层沉积方法虽然适用于大型部件，但不容易实现制造更小或更详细特征所需的精度。对于具有复杂内部特征或薄壁的部件来说，实现所需的精细几何控制特别困难，因为该工艺优化的是较高的沉积速率而非精细分辨率。除了制造复杂形状的挑战外，SAAM还有显著的热限制。由于潜弧焊接技术的高热输入，工艺中的固有热梯度可能导致工件内部过热。这种热量积聚可能会引起多种问题，包括尺寸不准确和变形，尤其是在处理几何形状复杂的部件时[71]。部件不同部分的冷却速率不均也会引起残余应力，导致变形或开裂，特别是在截面变化大或壁厚薄的部件中。这些热问题使得难以实现需要严格公差或所有方向上均匀机械性能的部件所需的尺寸精度。因此，通常需要额外的后处理步骤，如机械加工或热处理来纠正这些变形，从而增加了制造过程的时间和成本。另一个与复杂几何形状和热问题相关的限制是残余应力对SAAM制造部件机械性能的影响。热梯度可能引起内部应力，影响部件的整体结构完整性，导致在循环载荷条件下抗疲劳性降低甚至过早失效[70,71]。虽然SAAM的逐层沉积方法在沉积过程中提供一定程度的内 Hot Treatment，但该工艺提供的热控制水平不如某些其他先进制造方法，使得有效管理这些残余应力更加具有挑战性。材料限制进一步复杂化了SAAM在复杂几何形状中的应用。尽管SAAM在HSLA钢等材料上效果显著，但其材料兼容性仍然有限。该工艺之所以适用于这些钢材，是因为它们的韧性和抗疲劳性，这对于管道制造和结构部件等应用至关重要[66]。然而，使用轻质合金（如铝或钛）的能力仍然是一个挑战，这些合金在航空航天、汽车或海洋工程等行业中常常是必不可少的。这些材料由于具有不同的热性能而带来困难，这可能会加剧与热量积聚和变形相关的问题。因此，SAAM目前的材料能力限制了其在需要轻质、高性能组件的行业中的应用，而这些组件通常用于复杂的几何形状[70]。除了材料限制之外，为复杂零件实现高分辨率的表面光洁度和精细公差通常需要大量的后处理。SAAM的表面质量通常不如其他增材方法或传统机械加工过程产生的表面质量好，尤其是在处理复杂几何形状时。这意味着许多使用SAAM制造的零件需要进行额外的步骤，如研磨、抛光或机械加工，以达到所需的表面光洁度和尺寸精度。尽管SAAM的主要优势在于其在大规模零件制造中的速度和效率，但对于更小、更详细的组件而言，后处理的需求降低了整体的成本效率，进一步限制了其在某些高精度应用中的适用性。

9.3 SAAM在功能梯度材料（FGM）制造中的潜力
尽管迄今为止大多数SAAM研究都集中在均匀的HSLA钢结构上，但该工艺本身具有适用于多材料和功能梯度应用的特性[66]。埋弧工艺的高且稳定的热输入促进了深层渗透和层间充分熔合，这对于在不同合金之间的界面实现牢固的冶金结合非常有利。药涂层保护的环境进一步减少了沉积过程中熔池氧化和氢污染的风险，这对于沉积像Inconel 625这样的镍基合金尤为重要，因为这些合金对间隙污染非常敏感[67]。SAAM固有的热处理效应——在同一沉积周期内结合了 normalizing、inter-critical annealing 和 tempering——原则上可以用来调节316L和Inconel 625之间的梯度区域微观结构[67,68]。通过控制每层的热输入和层间温度，可能促进通常在中间成分区域形成的Laves相和碳化物的部分溶解，从而在不需要额外后处理热处理步骤的情况下提高梯度结构的机械性能[71]。此外，SAAM能够实现的高沉积速率（远超过GMAW或GTAW基WAAM的速率）对于制造大型FGM结构特别有利，例如双金属压力容器、管道过渡接头或核能及海上应用的结构部件，在这些应用中，材料体积和机械性能都是关键要求。

然而，目前有几个限制直接将SAAM应用于FGM制造。该工艺的高热输入虽然有利于层间结合，但使得对成分梯度的精细控制变得更加困难：每一层沉积的材料往往会熔化并稀释下层的大部分成分，这可能会使预期的成分过渡变得模糊，难以实现清晰或精确定义的梯度[70]。此外，该工艺在材料兼容性方面也有限，目前主要适用于低碳钢和HSLA钢，尚未在镍基超合金（如Inconel 625）上得到验证，因为镍基超合金与钢有不同的药涂层-合金相互作用和固化特性。因此，针对SAAM环境下的高镍合金研究合适的药涂层配方和工艺参数范围是一个重要且尚未解决的问题。此外，SAW工艺的几何限制（仅限于近似平面或略微倾斜的沉积方向）也对无需辅助工具或基材操作的FGM组件几何形状的范围提出了要求[35]。

总之，SAAM在异质和功能梯度结构中的适用性仍然是一个未来的研究方向，而不是已经得到证实的能力。现有的SAAM文献几乎完全集中在均匀的低碳钢和HSLA钢的制造上，在审查的文献中没有发现任何关于通过埋弧增材沉积直接制造316L-Inconel 625或类似镍-钢FGM的实验研究。因此，关于SAAM在这一领域的潜力讨论必然是前瞻性和推断性的，基于SAW已知的工艺特性，并通过类比GMAW和GTAW基WAAM所面临的挑战来进行推理。在SAAM能够与GMAW、GTAW和PAW并列为316L-Inconel 625 FGM制造的可行方法之前，需要进行专门的实验研究。

在将SAAM评估为316L-Inconel 625 FGM制造的可行方法之前，必须考虑几个特定的材料挑战。标准的SAW药涂层配方是为低碳钢和HSLA钢开发的；它们与Inconel 625中高含量的Ni、Cr、Nb和Mo之间的化学反应尚未确定，存在Nb和Mo（都是关键的强化元素[20]）优先氧化的风险，或者由于药涂层分解产物（如S、P或Si）导致不必要的合金化的风险。SAAM相对较高的热输入和较慢的冷却速率在热力学和动力学上对含有Nb/Mo的合金不利：较慢的枝晶间固化增加了元素偏析，并为Laves相的析出提供了更多时间，而溶解现有的Laves相则需要保持大约1150°C以上的温度，这在大型构建中很难均匀维持[17]。此外，SAAM的深层电弧穿透和高层间稀释风险可能会使定义FGM的成分过渡模糊，可能导致设计的多步梯度变成一个更广泛、控制较差的混合区。在SAAM能够作为316L-Inconel 625 FGM制造的可行方法之前，实验解决这些未解决的问题是必要的前提。

10. 结论
综述的文献共同表明，基于电弧的WAAM技术上能够生产出具有冶金学上良好的界面和梯度区域内奥氏体相连续性的316L不锈钢-Inconel 625 FGMs。在所检查的电弧工艺中，GMAW提供了最高的沉积效率，并且非常适合双丝梯度控制，而GTAW则提供了更好的独立热输入和稀释控制，但代价是较低的产量。PAW处于中间位置，相对于两者而言，它具有更好的电弧收缩和熔池稳定性；CMT-GMAW则是热敏多材料构建中最节省热输入的变体。从综述的实验研究中得出的一个核心且反直觉的发现是，316L和Inconel 625之间的直接成分界面在抗拉强度、延展性和残余应力水平上始终优于平滑梯度策略。这一结果可以从60–80 wt.% Inconel 625处的成分依赖性不稳定窗口得到机制解释，在这个窗口下，Fe的稀释同时破坏了Inconel基体并促进了δ、σ、Laves和MC碳化物的共沉淀，而这些相在直接界面构建中要么不存在，要么仅以微量存在。这一发现挑战了普遍认为更平滑的成分过渡对梯度结构更有利的假设，并对工业FGM制造中的梯度路径设计具有直接的影响。

仍有三个关键挑战尚未解决，这些挑战定义了该材料系统的优先研究议程：开发定量梯度路径设计规则，以确定在给定的电弧工艺和参数条件下哪些成分轨迹可以避免不稳定窗口；系统地表征梯度区域的腐蚀行为，这与微观结构和机械研究相比受到的关注较少；以及优化后处理方法，特别是热处理和原位轧制，以减少残余应力而不重新激活次级相的沉淀。相对于其他金属增材制造方法，基于电弧的WAAM提供了高沉积速率、接近100%的材料利用率以及可扩展到大型结构组件的能力，这是LPBF和LWDED在同等构建体积下无法匹配的，但代价是较低的梯度空间分辨率和较高的每层热输入。SAAM为非常大规模的FGM制造提供了未来机会，但在评估其适用性之前，需要对高镍合金进行专门的实验验证。