沉积层预热温度依赖的WAAM双金属异质结构界面演化与力学行为

《Journal of Materials Research and Technology》：Deposited layer preheating temperature-dependent interface evolution and mechanical behavior of bimetallic heterostructure fabricated via WAAM

　　

在通过丝弧增材制造（WAAM）制备双金属异质结构的过程中，沉积层预热温度直接控制界面处的元素扩散动力学、相变路径及微观组织演变，这对双金属界面的冶金结合质量至关重要。本研究利用热电陶瓷板对沉积层进行预热，阐明了预热温度对双金属异质结构界面结合质量及力学性能的影响及其内在机制。结果表明，预热温度诱导界面过渡区（TZ）的晶体学织构和再结晶行为发生演变。随着预热温度的升高，界面过渡区的显微硬度呈现先降低后升高的非单调趋势，而极限抗拉强度（UTS）和均匀塑性则呈持续上升趋势。在100 °C预热温度下，强Goss {011}<100>和Brass {011}<211>织构有效抑制了变形诱导马氏体转变（DIMT），相应试样展现出最优的力学性能组合。具体而言，该温度下过渡区宽度达到最大值，显微硬度为297.1 HV，极限抗拉强度为545 MPa，断后伸长率增至28.9%，较室温（未预热）试样的21.4%提高了35.1%。当预热温度超过100 °C时，界面处析出大量Fe-Cr金属间化合物（IMCs），导致局部应力集中。这种析出虽然提高了过渡区的显微硬度，但恶化了拉伸性能。

论文解读：丝弧增材制造双金属异质结构的沉积层预热温度效应

先进装备制造正朝着多功能化方向发展，单一材料难以同时满足结构件对高强度与高塑性的协同要求。双金属层状结构钢（BLSS）通过组合不同性能的材料，为解决复杂服役条件下的特殊性能需求提供了可行途径。然而，传统双金属制造方法存在生产效率低、成本高等固有缺陷。丝弧增材制造（WAAM）作为一种基于逐层离散堆积的数字化成形技术，凭借高沉积效率、低成本和复杂结构一体化成形能力，在双金属材料制备方面展现出独特优势。在WAAM异种金属冶金结合过程中，热场行为（包括预热温度梯度、冷却速率和热循环）对双金属界面冶金质量具有显著影响。预热温度不足会导致异种金属间元素扩散不充分，产生界面偏析或未熔合缺陷；而预热温度过高则易诱发热应力累积，导致裂纹萌生或晶粒粗化。因此，研究合适的沉积层预热温度对WAAM制备BLSS界面组织特征及力学性能的影响，是其工程应用的关键前提。

目前，WAAM制备双金属结构的研究已取得一定进展，但多集中于镍基合金与不锈钢的组合，而对ER120S-G/SS316L这类高强度低合金钢与奥氏体不锈钢组合的研究尚不充分。两者化学成分和相稳定性差异大，导致沉积过程中元素扩散行为、相变耦合效应及界面冶金结合机制更加复杂。此外，现有研究多局限于单一基板预热温度下的性能表征，缺乏对沉积层预热温度参数的系统调控与对比分析。为此，研究人员采用WAAM依次沉积ER120S-G和SS316L，通过热电陶瓷板加热控制底部ER120S-G单墙层的预热温度，在25 °C（室温）、100 °C、200 °C和300 °C预热温度下成功制备了双金属层状结构钢（BLSS1-4），系统分析了不同预热温度下的界面微观组织特征、元素扩散规律和缺陷分布，并通过显微硬度测试和拉伸实验评估了力学性能。研究发现，100 °C预热条件下BLSS2获得最优强韧性匹配：界面过渡区面积分数最大（67.64%），元素扩散距离达47.6 μm，极限抗拉强度为545 MPa，断后伸长率较室温试样提高35.1%。该工作为高性能BLSS的WAAM制造预热参数优化提供了理论依据和技术参考，论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：以直径1.2 mm的商用ER120S-G和SS316L焊丝为原材料，采用两台KUKA六轴焊接机器人配合Fronius冷金属过渡（CMT）电源进行双金属沉积；通过陶瓷加热片对已沉积ER120S-G层进行预热，并用热电偶实时监测温度。表征手段涵盖激光共聚焦显微镜观察宏观界面、扫描电子显微镜（SEM）结合能谱仪（EDS）分析微观组织和元素分布、电子背散射衍射（EBSD）测定晶粒取向和织构、透射电子显微镜（TEM）观察精细结构，以及Thermo-Calc热力学模拟预测相析出行为。力学评价采用显微维氏硬度和室温拉伸试验。

结果部分：

**3.1 力学性能**：显微硬度测试表明，界面过渡区（TZ）硬度沿增材方向（BD）随预热温度升高呈先降后升趋势；BLSS1峰值硬度为346.1 HV，BLSS2降至297.1 HV，BLSS4升至最大366.9 HV。拉伸试验显示，BLSS2-4的抗拉强度和均匀塑性协同提升，BLSS2的极限抗拉强度（UTS）从524 MPa增至545 MPa，断后伸长率从21.4%升至28.9%，提高35.1%，表明适当预热可优化界面冶金结合并缓解热应力。

**3.2 宏观形貌**：激光共聚焦显微镜观察显示，所有试样界面均实现良好冶金结合，无裂纹和气孔。室温下界面轮廓起伏明显、熔合线粗糙；预热后界面平坦性显著改善。TZ面积分数统计表明，预热使TZ面积分数从室温组的61.97%增至100 °C组的峰值67.64%，随后略有下降，证实预热促进了元素扩散和冶金结合。

**3.3 微观组织特征**：SEM和EDS分析揭示，BLSS2的SS316L区为奥氏体-铁素体组织，TZ由板条马氏体和少量白色碳化物组成，ER120S-G侧以回火马氏体和板条马氏体为主。预热超过100 °C后，界面处析出大量Fe-Cr金属间化合物（IMCs），导致局部应力集中。EDS线扫描显示，元素扩散距离具有明显温度依赖性：室温下为35.7 μm，100 °C时增至47.6 μm，200 °C时因IMCs和碳化物阻碍扩散降至33.9 μm，300 °C时进一步锐减至12.09 μm。Thermo-Calc模拟证实，Cr、Ni的相互扩散提高了奥氏体稳定性，并促进M₇C₃等碳化物析出，与实验观察一致。

**3.4 晶粒取向与晶体结构**：EBSD分析表明，BLSS2的TZ中FCC相占54.7%、BCC相占45.3%，呈现奥氏体-马氏体双相组织；BLSS3中奥氏体含量降至2.5%，马氏体为主导。BLSS2中奥氏体晶粒沿垂直于熔合线方向生长，并形成强Goss {011}<100>和Brass {011}<211>织构，通过提高马氏体相变临界剪切应力有效抑制变形诱导马氏体转变（DIMT）；同时动态再结晶分数达最大值30.6%，平均晶粒尺寸细化至5.53 μm。TEM进一步证实BLSS2中奥氏体与马氏体呈K-S取向关系，界面共格可缓解应力集中；BLSS3中则观察到高密度位错和晶格畸变，对应硬度回升。

**3.5 断口形貌**：拉伸断口SEM观察显示，BLSS1表现为解理面和放射区为主的脆性断裂；BLSS2-4呈现密集韧窝和剪切唇的韧性断裂。EDS分析表明，韧窝底部存在富Mn碳化物颗粒，其均匀分布可作为微孔形核位点并缓解应力集中，协同提升强韧性。

讨论部分总结：预热温度通过调控界面元素扩散和相变过程，决定了BLSS的微观组织与力学性能。100 °C预热的慢冷却速率促进了Cr、Ni充分扩散，稳定了奥氏体，形成强织构抑制DIMT，同时细化晶粒，从而获得最佳强韧匹配。超过100 °C后，界面IMCs和碳化物析出量增多，虽提高TZ硬度，但损害了拉伸性能。因此，合适的预热温度是优化WAAM双金属结构性能的关键。

研究结论翻译如下：
（1）BLSS界面过渡区面积分数随预热温度升高先增后略降，100 °C预热时达到最大值67.64%，为元素相互扩散提供了充分动力学条件，实现良好的界面熔合与扩散。
（2）预热温度是调控界面元素扩散和相组成的关键因素。100 °C预热促进Cr、Ni充分扩散，界面元素扩散距离增至47.6 μm，显著提高奥氏体稳定性，并形成奥氏体-马氏体双相结构；热力学模拟也证实该温度下碳化物有序析出而无脆性相富集。当预热温度超过100 °C时，界面Cr、Ni、C富集达形核阈值，碳化物和IMCs数量随温度升高持续增加。
（3）预热温度诱导BLSS界面TZ的晶体学织构和再结晶行为显著演变，织构类型和再结晶程度呈强温度依赖性。100 °C预热的BLSS2形成强Goss {011}<100>和Brass {011}<211>织构，通过提高马氏体相变临界剪切应力有效抑制DIMT，使奥氏体稳定保留；动态再结晶分数在该温度下达最高值30.6%，平均晶粒尺寸细化至5.53 μm。
（4）预热温度显著改善了BLSS力学性能。随着预热温度升高，界面TZ显微硬度先降后升，抗拉强度和均匀塑性呈现协同提升趋势。与BLSS1相比，BLSS2的极限抗拉强度从524 MPa增至545 MPa，断后伸长率从21.4%提高至28.9%，提升幅度达35.1%，实现了强度与韧性的最优匹配。