双丝电弧增材制造FeAl合金的裂纹形成机制及微观结构与力学性能关系

《Intermetallics》：Crack formation mechanisms and microstructure-mechanical property relationships in FeAl alloys fabricated by dual-wire arc additive manufacturing

　　

摘要

Fe-Al金属间化合物是钢/铝异种连接件中不可避免形成的脆性相。本研究采用双丝电弧增材制造（D-WAAM）工艺原位制备了铁铝金属间化合物合金。结果表明，FeAl合金的沉积区主要由柱状晶组成，顶部区域为等轴晶。壁状结构的主要沉积部分以B2型(Fe,Cr)Al基体为主。高残余热应力与Fe-Al体系内金属间化合物（IMCs）形成的协同效应，促使未预热试样在沉积后状态发生裂纹萌生。在底部区域，裂纹在不同晶体取向的晶界处萌生，并优先沿高角度晶界（HAGBs）扩展，表现出沿晶特征。裂纹尖端最终被具有<001>织构取向的晶粒所阻止。对于预热至400°C、500°C和600°C的试样，其极限抗拉强度分别为141.4 MPa、151.3 MPa和148.4 MPa。在500°C和600°C条件下，硬度主要集中于300 HV_0.5至420 HV_0.5之间。在预热至400°C的FeAl合金中，观测到局部峰值硬度为481 HV_0.5。总之，本研究为通过WAAM制备Fe-Al合金提供了新的见解和理论支持。

引言

在交通、航空航天及其他工业领域，减少能源消耗和环境污染已成为一个紧迫的全球性问题。为降低产品重量，使用高强度、低密度材料已成为一个重要趋势[1]。FeAl合金（约36-48 at% Al）在高温下具有更优异的耐腐蚀和抗氧化性能，使其在化石能源工业、石油化工、核电领域中得到应用[2,3]，例如换热器管材[4]、软磁合金部件[5]和工业阀门零件[6]。目前，已采用热压[7]、放电等离子烧结（SPS）[8]、真空感应熔炼[9,10]等各种制备技术来制造铁铝金属间化合物部件。

与铸造和锻造相比，增材制造（AM）具有更高的成形灵活性和简化的操作流程[11]。近年来，已采用增材制造方法生产铁铝金属间化合物部件，包括电子束熔覆（EBM）[12]、选择性激光熔化（SLM）[6]和激光直接能量沉积（L-DED）[13]。然而，EBM、SLM和L-DED具有高成本和严格的环境控制要求。此外，其基于粉末的特性将加工限制在密封腔室内，对零件尺寸施加了严格的限制。因此，它们不适合FeAl合金在化石能源和石化等领域大规模应用的愿景。与其他制造方法相比，电弧增材制造（WAAM）具有高沉积效率、低生产成本和高材料利用率[14][15][16]。双丝电弧增材制造（D-WAAM）是WAAM的一种变体，它将两种材料输送到同一熔池中，按照逐层沉积策略来制造目标合金[17,18]。与传统WAAM工艺相比，D-WAAM具有更高的沉积效率，并且能够制造更多种类的合金部件[19][20][21]。熊等人[22]利用D-WAAM在不同层间温度下制备TiAl合金。他们的结果表明，随着层间温度的升高，宏观裂纹数量减少。黄等人[23]通过D-WAAM成功制备了Ni-Ti梯度材料，使用了Inconel 625和Ti₆Al₄V丝材。当Inconel 625填充丝比例达到35%时，压缩强度增加到2.15 GPa。

然而，WAAM沉积过程涉及循环加热和冷却，这会在制备的部件中产生复杂的热应力[24,25]。因此，冷却过程中会产生残余应力和变形，引发裂纹，严重降低结构性能和可靠性[26]。将基板预热至优化温度可降低热梯度，从而缓解残余应力的产生并抑制裂纹的形成[27][28][29]。王等人[30]在不同预热温度下在Ti₆Al₄V基板上制备NiTi涂层。他们研究了预热温度对其性能的影响，发现硬度和耐腐蚀性都随着预热温度的升高而提高。

总体而言，Fe-Al金属间化合物是钢/铝异种连接件中不可避免形成的脆性相。FeAl关键相的本征力学性能和断裂机制尚未得到研究。本文通过调节不锈钢丝和5356铝合金丝的送丝速度，利用D-WAAM制备了FeAl合金沉积物。对沉积物的微观结构和裂纹形成机制进行了表征。将预热技术应用于沉积过程，以减少FeAl合金中的宏观裂纹。研究结果为高效、高质量的FeAl合金增材制造提供了理论指导。

章节摘要

材料与方法

沉积基板采用304不锈钢，尺寸为200 mm × 200 mm × 10 mm。选用ER5356铝合金焊丝和JMS304不锈钢焊丝作为沉积材料。表1列出了主要化学成分。在D-WAAM制备过程中，两个标准焊丝通过两个独立的送丝机同时输送到公共熔池中。CMT送丝设备将304L不锈钢丝垂直沉积

宏观形貌与微观结构表征

图2显示了沉积的FeAl薄壁结构。未预热时，垂直裂纹形成并从基板向上完全贯穿FeAl合金层，伴随尾部末端向上翘曲（图2(a)）。在400°C的预热温度下，纵向裂纹得到缓解。然而，仍然存在层间横向裂纹，如图2(b)所示。当预热温度升至500°C和600°C时，宏观裂纹被消除，

结论

本研究采用双丝电弧增材制造工艺制备了FeAl合金，阐明了FeAl微观结构中的裂纹萌生和扩展机制。通过工艺优化，成功实现了无宏观裂纹的FeAl部件。结论总结如下。

• (1)
  裂纹萌生发生在累积的高残余热应力与脆性Fe-Al金属间化合物（IMCs）相互作用时。在底部区域，裂纹

作者贡献声明

翁华璟：撰写——初稿，研究方法，调查研究，形式化分析。王建：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，形式化分析。潘俊宇：撰写——审阅与编辑，验证，调查研究。陆晓峰：撰写——审阅与编辑，形式化分析。李洪峰：监督，形式化分析。朱晓磊：撰写——审阅与编辑，调查研究，形式化分析。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所报道工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号：<52401052>）、江苏省高校自然科学研究基金（批准号：<2020240518>）、国家重点研发计划（编号：<2022YFB3707104>）和江苏省研究生科研与实践创新计划（编号：）的支持。

翁华璟|王建|潘俊宇|陆晓峰|李洪峰|朱晓磊

南京工业大学机械与动力工程学院，南京，211816，中国