《Materials Today Communications》：Wire Arc Additive Manufacturing and Characterization of Mild Steel – Martensitic Stainless Steel Bimetallic Structure
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摘要翻译：
电弧增材制造（WAAM）是一种经济高效的制造方法，近年来已被用于制备双金属结构。本研究采用WAAM技术成功制备了由20层马氏体不锈钢（MSS）和20层低碳钢（MS）组成的双金属结构。所制备双金属结构在过渡区附近的宏观组织呈现四个明显不同的区域：MS
摘要翻译：
电弧增材制造（WAAM）是一种经济高效的制造方法，近年来已被用于制备双金属结构。本研究采用WAAM技术成功制备了由20层马氏体不锈钢（MSS）和20层低碳钢（MS）组成的双金属结构。所制备双金属结构在过渡区附近的宏观组织呈现四个明显不同的区域：MSS区域、界面以及两个MS子区域。采用扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜（OM）、X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）对制造结构的微观组织进行了表征。利用纳米压痕和拉伸试验评估了双金属结构不同区域的力学性能。通过动电位极化和电化学阻抗谱评价了耐蚀性能。MSS区域呈现岛状和骨骼状δ-铁素体弥散分布于马氏体基体中，而界面区域主要呈现马氏体组织，在两个区域均未检测到残余奥氏体。相比之下，MS区域呈现针状和多边形铁素体。拉伸试验结果显示极限抗拉强度为504 ± 6 MPa，屈服强度为372 ± 5 MPa，断裂发生在MS区域。腐蚀分析表明，从MSS到MS的耐蚀性逐渐降低，这归因于Cr从MSS侧向界面方向迁移，导致梯度方向上元素分布发生变化。
论文解读文章
**一、研究背景与问题**
增材制造（AM）作为一种新兴的材料成形技术，因其能够以逐层堆积方式制造几何形状复杂的零部件，并在航空航天、汽车、海洋、生物医学及能源等领域获得广泛应用。在众多金属增材制造技术中，电弧增材制造（WAAM）以电弧为热源熔化连续送进的金属丝材，具有沉积效率高、材料成本低等显著优势，尤其适用于大型结构件的制造。同时，工程应用中对材料性能空间定制化的需求日益增长，功能梯度材料（FGMs）通过组成和微观组织的渐变或突变设计，可实现力学、热学和电化学性能的协同调控。双金属结构作为离散型FGM的最简形式，可将不锈钢的耐蚀性和硬度与低碳钢的延展性、可焊性和低成本在同一构件中结合，在海洋结构、压力容器、阀门、模具及耐磨部件等领域具有广阔的应用前景。
然而，尽管钢–钢FGM的研究日益增多，针对马氏体不锈钢–低碳钢（MSS–MS）体系的研究却十分有限。截至目前，仅有一项研究报道了该组合的梯度结构增材制造，且主要验证了可行性，而对界面微观组织演变、元素再分布、局部力学与变形行为以及局部腐蚀响应的系统理解仍存在明显不足。这一知识空白制约了对WAAM制备的MSS–MS双金属结构冶金、力学与电化学耦合行为的深入认识。
**二、研究目的与总体内容**
为填补上述空白，研究人员采用WAAM工艺成功制备了由20层AISI 420马氏体不锈钢（ER420丝材）和20层低碳钢（ER70S-3丝材）组成的双金属墙体结构（约160 × 160 × 6 mm3）。研究围绕界面微观组织、元素再分布、相演化、应变局部化和腐蚀响应展开系统表征与分析，旨在为WAAM制备异种钢FGM的设计与优化提供理论依据。
**三、主要关键技术方法**
本研究采用了多种微观表征与性能测试手段。微观组织表征方面，使用光学显微镜（OM）、配备能谱分析（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD），并结合JMatPro软件模拟特定区域的连续冷却转变（CCT）行为。力学性能测试方面，依据ASTM E8/E8M标准进行拉伸试验，并采用三维数字图像相关（DIC）系统分析局部应变分布；使用Berkovich压头的纳米压痕设备测试各相硬度与弹性模量；同时进行维氏显微硬度测试。电化学性能评价方面，在3.5 wt.% NaCl溶液中开展了动电位极化（PDP）和电化学阻抗谱（EIS）测试，并采用扫描开尔文探针力显微镜（SKPFM）分析微区电位差异。
**四、主要研究结果**
*4.1 宏观组织演变与界面区域形成*
研究制备的MSS–MS双金属结构实现了良好的冶金结合，未发现可见裂纹或分层。在成分过渡区附近识别出四个明显区域：MSS区域、界面、MS1和MS2。界面是首层MS沉积到末层MSS上时形成的重熔稀释区域；MS1为界面上方第一层MS沉积层；MS2为MS1上方后续沉积的MS层。MSS区域呈现出明显的层内与层间腐蚀对比差异，表明WAAM沉积过程中的反复热循环导致了非均匀相分布。
*4.2 跨成分梯度的微观组织演变*
MSS区域以马氏体基体为主，含有约18±4%的δ-铁素体。层间区域δ-铁素体呈细小岛状分布，层内区域呈连续的骨骼状网络。EDS元素面分析确认δ-铁素体中Cr元素明显富集，而周围马氏体基体Cr含量较低。MS1区域由针状铁素体和多边形铁素体混合组成，而MS2区域以多边形铁素体为主。MS1中针状铁素体的形成与首层MS沉积层经历较快冷却速率以及来自MSS侧的Cr稀释导致的淬透性增加有关。MS2的层间区域平均铁素体晶粒尺寸（~67 ± 9 μm）大于层内区域（~48 ± 4 μm），归因于后续热循环引起的再加热晶粒长大。
*4.3 界面微观组织与元素再分布*
界面区域主要由板条马氏体组成。EDS点分析显示Cr从MSS侧向MS侧逐渐再分布，界面区域Cr浓度约为3.5 at.%。利用红外高温计实测界面区域冷却速率约为7 °C/s，结合JMatPro生成的CCT图预测以马氏体转变为主。界面区域未检测到δ-铁素体，原因是该区域Cr浓度不足以在凝固过程中稳定δ-铁素体。
*4.4 XRD相分析*
所有区域均显示以体心立方（BCC）结构为主的衍射峰，确认铁素体/马氏体为主要相组成。未检测到残余奥氏体、碳化物或金属间化合物的可分辨峰。MS区域在约36°和39°出现微弱低强度峰，可能归因于沉积过程中形成的微量氧化物或局部成分不均匀性。
*4.5 EBSD表征*
EBSD分析显示MSS和界面区域以细小板条马氏体为主，MS1区域呈现粗大的针状形貌。定量分析表明，MSS区域平均马氏体板条尺寸为3.1 ± 2.0 μm，界面区域增大至5.9 ± 4.2 μm。相图确认所有区域以BCC为主。极图分析显示三个区域均呈现弱晶体织构，其中MSS层强度最高（4.2–5.2 m.r.d.），反映了前奥氏体取向和后续马氏体相变对织构的增强作用。
**五、力学性能**
*5.1 拉伸试验*
拉伸试验测得双金属结构的平均极限抗拉强度为504 ± 6 MPa，屈服强度为372 ± 5 MPa，断裂发生在MS区域。SEM断口分析显示以韧窝形貌为主的延性断裂特征，韧窝起源于Mn基氧化物和硫化物夹杂。DIC分析表明，塑性变形优先由MS区域承担，界面过渡区呈现应变屏蔽效应，未出现早期局域化。加载至峰值应力后，应变日益集中于MS区域，颈缩在MS区域发展，断裂前局部应变峰值达约165%。这表明双金属结构的失效过程受MS区域的局部塑性变形控制，而非界面脱粘或过渡区过早损伤。
*5.2 纳米压痕测试*
纳米压痕测试显示各区域硬度存在明显差异：多边形铁素体硬度最低（2.4 ± 0.2 GPa），针状铁素体（3.3 ± 0.1 GPa）、界面马氏体（4.7 ± 0.2 GPa）和MSS马氏体（5.7 ± 0.3 GPa）依次升高，δ-铁素体硬度最高（6.6 ± 0.2 GPa）。δ-铁素体的高硬度归因于Cr等置换元素的固溶强化以及碳的固溶贡献。弹性模量在273 ± 9 GPa至303 ± 14 GPa范围内变化，相间差异有限。
*5.3 显微硬度*
沿建筑方向的显微硬度剖面显示：MS区域硬度最低（约170 HV），接近界面时增至约200 HV；界面区域硬度显著升高至约300 HV；进入MSS区域后急剧升高至约420 HV，并向底部逐渐降至约390 HV。该降低趋势归因于WAAM沉积过程中重复热循环对下部MSS层的回火效应。
**六、电化学行为**
*6.1 PDP分析*
MSS区域表现出最高的耐蚀性（icorr = 8.80 × 10?? A/cm2），界面区域居中（icorr = 1.12 × 10?? A/cm2），MS1区域最低（icorr = 2.52 × 10?? A/cm2）。MSS区域呈现有限的钝化区间和明确的击破电位（约-0.13 V vs. SCE），而MS1和界面区域表现为完全活性溶解行为，无钝化特征。MSS区域有限的钝化行为与其非均匀的沉积态微观组织有关，包括δ-铁素体与马氏体之间的微电偶作用。
*6.2 EIS分析*
EIS结果显示，所有区域的电荷转移电阻（R?）在30小时浸泡后均高于1小时浸泡，表明腐蚀产物膜逐步形成并趋于稳定。其中界面区域的R?增幅最为显著（从1.09 × 101 Ω·cm2增至4.63 × 101 Ω·cm2），归因于约4 wt.% Cr在延长浸泡过程中逐步富集于腐蚀产物层，促进了更致密稳定表面膜的形成。
*6.3 SKPFM分析*
SKPFM结果显示，Cr富集的骨骼状δ-铁素体呈现较高的Volta电位，而周围马氏体基体电位较低，电位差约150 mV。δ-铁素体周围的Cr贫化区具有更低的电位，形成局部电化学不均匀性，可促进微电偶腐蚀。
*6.4 腐蚀机理*
界面和MS1区域经48小时浸泡后表面覆盖有裂纹的氧化物/腐蚀产物层。含约4 wt.% Cr的界面区域腐蚀产物层更致密、裂纹更窄，而MS1区域裂纹更宽，保护性较差。MSS区域的腐蚀主要发生在δ-铁素体/马氏体边界附近，EDS线扫描确认δ-铁素体周围存在宽约3 μm的Cr贫化区。腐蚀机制为层内δ-铁素体（阴极）与马氏体基体（阳极）之间的微电偶耦合，以及层内区域（阳极）与层间区域（阴极）之间的宏电偶效应。
**七、结论**
本研究采用WAAM技术成功制备了MS–MSS双金属结构，对结构不同区域的微观组织、力学性能和电化学性能进行了系统研究与比较。主要结论如下：（1）MSS区域主要为马氏体组织并弥散分布δ-铁素体，无残余奥氏体；层间区域呈岛状δ-铁素体，层内呈骨骼状形貌；界面为马氏体组织，MS1和MS2分别为针状铁素体和多边形铁素体；EBSD分析表明各区域未形成强晶体织构。（2）受Cr含量梯度影响，耐蚀性从MSS向MS1方向逐渐降低；MSS区域内骨骼状δ-铁素体由于与基体的电偶作用而表现出更高的腐蚀敏感性；30小时浸泡后各区域耐蚀性均优于1小时，表明钝化膜逐渐趋于稳定。（3）拉伸试验显示双金属结构UTS约504 MPa、YS约372 MPa，断裂发生在MS侧，断裂前局部应变达165%；纳米压痕结果显示硬度从MSS马氏体、界面马氏体、针状铁素体到多边形铁素体依次递减，与梯度结构内预期的相依赖性力学响应一致。
