层间温度对超声冲击辅助丝材电弧增材制造超高强度钢的微观组织和力学性能的影响

《Ultrasonics》：Effect of interlayer temperature on the microstructure and mechanical properties of ultra-high-strength steel fabricated by ultrasonic impact-assisted wire arc additive manufacturing

　　

摘要 本研究调查了在四个层间温度（80 °C、150 °C、200 °C 和 300 °C）下，通过超声冲击辅助电弧增材制造 (UI-WAAM) 制造的 14Ni3Cr3Mo2Mn 超高强度钢部件的微观组织和力学性能。结果表明，层间温度通过热循环非线性地调节微观组织演变。由于 UI 的有效作用范围扩大，顶部区域的平均晶粒尺寸从 80 °C 时的 32.9 μm 增加到 200 °C 时的 49.0 μm，随后在 300 °C 时降至 40.2 μm。由于热量积累，中间区域经历显著的晶粒粗化，在 300 °C 时达到 84.6 μm。相组成随层间温度变化，而中间区域由于反复的热循环和元素再分配，通常保留了更高比例的奥氏体。力学性能随温度升高而恶化。在 80 °C 时实现了最佳性能，抗拉强度约为 1230 MPa，伸长率在 18.0 % 到 20.0 % 之间，显微硬度为 315.3 HV0.5。模拟显示，较高的层间温度拓宽并延长了 800 °C 到 1450 °C 之间的有效 UI 作用区。虽然 UI 在低温下主导强化，但热积累在高温下削弱了其益处。这项工作阐明了温度-UI 耦合机制，为优化制造过程提供了关键见解。

引言 增材制造 (AM) 是一种先进的制造技术，它基于数字模型，通过逐层沉积材料来构建三维实心物体。与传统减材制造和成型制造相比，该技术具有制造周期短、材料利用率高以及能够形成复杂结构等显著优势。随着材料科学和制造工艺的不断创新，增材制造已深度融入现代制造，并在航空航天、国防、汽车制造等领域得到广泛应用 [1], [2], [3], [4]。

在各种增材制造方法中，电弧增材制造 (WAAM) 以其高沉积效率、相对较低的设备成本以及制造大型金属部件的能力而脱颖而出 [5], [6], [7], [8], [9]，在金属零件的快速制造和修复中展现出巨大潜力 [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]。然而，WAAM 本身存在热输入高和冷却速率不均匀等问题，容易导致孔隙、粗大晶粒、裂纹和残余应力积累等缺陷。这些缺陷会降低拉伸强度、伸长率和疲劳寿命等宏观力学性能，并导致性能不均匀，严重限制了其在高性能关键部件和工业领域的应用 [19], [20], [21], [22], [23], [24]。

超高强度钢由于其优异的强度和韧性组合，在航空航天、造船和汽车制造等大型高性能部件中具有巨大的应用潜力 [25], [26]。传统的 18Ni 系列时效硬化钢通常含有相对较高的 Ni 和 Co 含量，其中 Co 含量约为 8–12 %，Ni 含量约为 18 %。由此产生的高合金化成本限制了它们在大规模部件制造中的广泛应用。为解决这一问题，南京理工大学的一个研究团队基于 18Ni300 时效硬化钢，通过消除 Co、降低 Ni 含量以及添加 Cr 和 Mn 优化合金成分，开发了一种 14Ni3Cr3Mo2Mn 超高强度钢焊丝。之前的研究表明，这种新开发的合金在降低合金化成本的同时能保持优异的力学性能，从而增强了其在大型高性能部件增材制造中的应用潜力 [27], [28]。

为解决 WAAM 中缺陷形成和性能控制相关的挑战，原位超声冲击 (UI) 已成为一种有效的解决方案 [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]。其作用机制主要体现在两个方面：首先，它直接作用于凝固的高温沉积层，诱导塑性变形；其次，它通过超声波的传输影响相邻熔池的凝固过程。这两种效应的结合共同实现了微观组织控制和晶粒细化的目标 [37], [38], [39]。例如，Diao 等人 [40] 将 UI 应用于 ER321 不锈钢的 WAAM 制造。结果表明，UI 将微观组织从粗大柱状晶转变为细小等轴晶，使平均晶粒尺寸减少了约 150 %，显著改善了力学性能。屈服强度和抗拉强度分别增加了约 10.5 % 和 3.7 %，同时伸长率也得到了提高。Wang 等人 [41] 的研究表明，UI 有效地细化了晶粒，使平均晶粒尺寸减少了高达 55.8 %，并促进了从粗大柱状晶到细小等轴晶的转变。同时，UI 显著减少了孔隙缺陷的数量和尺寸。已证实 UI 通过晶粒细化强化、位错强化和析出强化等机制增强了 2219 铝合金 WAAM 部件的强度。Wei 等人 [42] 的研究表明，超声振动辅助 CMT 技术通过空化效应和声流效应细化了 AZ31 镁合金的晶粒，使平均尺寸从 38.3 μm 降至 22.5 μm，并促进了晶粒等轴化。这导致水平和垂直方向的抗拉强度增加了 9.9–21.1 %，降低了各向异性，并使硬度从 61.31 HV 增加到 69.23 HV。Sun 等人 [43] 的研究证实，在低碳钢 WAAM 过程中，在每层沉积后立即施加超声冲击，利用冲击和随后沉积热循环的综合作用，有效地细化了晶粒并减弱了织构，从而将部件屈服强度的各向异性减少了约 77 %。Sun 等人 [44] 的研究显示，层间 UI 在 321 不锈钢中引入了高储存能亚结构，显著降低了再结晶能垒。在 1250 °C 的热效应下，再结晶分数从 15.8 % 增加到 37.2 %，平均晶粒尺寸从 9.8 μm 细化到 5.9 μm。这种微观组织优化导致了硬度、韧性、强度和塑性的同时提高，各向异性减少了高达 68 %。显然，超声冲击有助于 WAAM 部件的晶粒细化和力学性能增强。

同时，在 WAAM 中，层间温度是一个关键的热输入变量。它通过调节热历史、冷却速率和温度梯度，显著影响凝固行为、固态相变，以及与力学性能相关的晶粒形态、尺寸、取向和相组成等因素 [45], [46], [47], [48], [49]。例如，Dong 等人 [50] 在其对四元 Al-Zn-Mg-Cu 合金的研究中发现，较高的层间温度（100 °C、200 °C、300 °C）导致枝晶和细小晶粒的取向不均匀，以及高角度晶界比例增加，但对二次相和沉淀物的相类型和化学成分影响有限。Salahi 等人 [51] 对 420 不锈钢单道多层壁的研究表明，由于复杂的热过程，基体由含有 δ 铁素体和残留奥氏体的马氏体组成。层间温度为 200 °C 的样品表现出晶体学各向异性，而 25 °C 的样品具有更接近各向同性的织构。将层间温度从 25 °C 提高到 200 °C 增加了残留奥氏体的体积分数，可能提高了壁的耐腐蚀性。Gao 等人 [52] 调查了层间温度对无钴时效硬化钢的影响。结果显示，50 °C 的层间温度促进了细小晶粒和高位错密度结构的形成，实现了 1211.8 MPa 的抗拉强度和 352.4 HV 的硬度；而 350 °C 通过促进逆变奥氏体和晶粒粗化增强了韧性和塑性，使伸长率从 11.7 % 增加到 23.4 %，并显著提高了冲击韧性。Xiong 等人 [53] 使用 DED-Arc 技术制造了 300 M 钢直壁部件，并系统研究了层间温度对微观组织演变和力学性能的影响。他们的发现表明，该材料的断裂形态同时取决于层间温度和距离基板的距离。Li 等人 [54] 研究了层间温度对 CMT 技术制造的高强度低合金钢薄壁部件的影响。通过比较 100 °C 和 300 °C 的工艺，研究发现较低的层间温度促进了碳化物的分散，而较高的层间温度导致它们团聚成簇。分散的碳化物有效地钉扎位错，从而增强了屈服强度。可以设想，对于超声冲击辅助电弧增材制造 (UI-WAAM) 工艺，层间温度也是一个关键的工艺变量。然而，现有研究在这方面仍然有限。

本研究以自主研发的 14Ni3Cr3Mo2Mn 超高强度钢为研究对象。使用超声冲击辅助电弧增材制造方法在不同的层间温度下制造单道多层样品。系统地分析了原位超声冲击对不同层间温度下 WAAM 制造的 14Ni3Cr3Mo2Mn 超高强度钢部件微观组织和力学性能的影响，并通过数值模拟进一步研究了超声冲击与层间温度之间的耦合机制。研究结果为提高超声冲击辅助电弧增材制造制造的超高强度钢部件的综合性能提供了实验和理论基础。

章节片段
材料与设备
UI-WAAM 系统由 WAAM 系统和 UI 系统组成，如图 1 所示。WAAM 系统主要包括 ABB 六轴机器人、控制柜、焊接电源和送丝机。UI 系统包括超声发生器、直线模块、控制器和计算机。

在本研究中，使用了一块尺寸为 300 mm × 250 mm × 10 mm 的 316 L 不锈钢板作为基板。所使用的焊丝是一种自主研发的直径为 14Ni3Cr3Mo2Mn 焊丝

微观组织
图 6 展示了在不同层间温度下制造的样品中间区域的显微照片。样品 U-80 和 U-150 中间区域的微观组织分别如图 6(a) 和 (b) 所示。在熔合线以上，微观组织主要由等轴晶组成，而在其下方观察到枝晶晶粒。对于 U-80 样品，较低的层间温度结合 UI 的作用，导致了...的破碎

结论
(1) 层间温度通过热历史控制，对超声冲击辅助电弧增材制造制造的超高强度钢的微观组织演变表现出非单调调节作用。顶部区域显示出晶粒尺寸从 80 °C 时的 32.9 μm 变化到 200 °C 时的 49.0 μm，UI 在 300 °C 时实现细化至 40.2 μm。而中间区域通常显示出更细的晶粒，但在 300 °C 时由于热量积累发生了显著的粗化

CRediT 作者贡献声明
杨帅：写作 - 初稿，调查，数据整理。杨冬青：写作 - 审阅与编辑，资金获取。常加革：方法论。苏珍：形式分析。王磊：形式分析。黄勇：方法论。李小鹏：监督。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

致谢
这项工作得到了中国航空科学基金 [资助编号 20230011059001]、国家自然科学基金 [编号 52305380] 和中央高校基本科研业务费 [编号 30924010829] 的资助。

杨帅 | 杨冬青 | 常加革 | 苏珍 | 王磊 | 黄勇 | 李小鹏
南京理工大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210094，中国