### 中文标题 厚壁316LSi丝弧增材制造(WAAM)沉积物中杨氏模量的各向异性

《Materials Science and Engineering: A》：Anisotropy in Young’s Modulus of Thick – Walled 316LSi Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) Deposits

　　

### 专业术语翻译摘要

研究人员对通过丝弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM)制备的厚壁316LSi不锈钢沉积物中的弹性各向异性进行了研究。研究人员通过改变热输入（10和15 kJ/in.）和层间温度（121和399°C）评估了四种沉积条件，同时保持一致的交替平行工具路径策略，焊道重叠率为45%。光学金相分析揭示，该工具路径促进了循环部分重熔，并产生了明显的周期性波浪状柱状晶粒形态。电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)显示了相应的晶体织构倾向，<100>方向沿沉积方向（X轴）排列，<111>方向沿横向（Y轴）排列。由于在面心立方(Face-Centered Cubic, FCC)316L/316LSi中，<111>是最刚性的晶体方向，<100>是最柔顺的晶体方向，这些织构倾向为观察到的宏观弹性各向异性提供了机理基础。室温拉伸测试显示，在所有四种工艺条件下，均存在一致的取向相关弹性响应，E_Y > E_X，而针对HH和HL条件测试的Z取向试样表现出中间模量值。对HL条件进行的温度相关谐振频率和阻尼分析(Resonant Frequency and Damping Analysis, RFDA)测量，独立再现了从23°C到400°C的E_Y > E_Z > E_X方向刚度层级。在沉积方向（X轴：146至150 GPa）始终测量到最低的杨氏模量值，而在横向（Y轴：187至197 GPa）观察到最高值。总体而言，观察到的弹性各向异性主要与工具路径诱导的显微组织和晶体织构相关，而在所研究的工艺窗口内，热输入和层间温度的变化影响相对较小。

### 论文解读

丝弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM)是一种高沉积速率的定向能量沉积技术，能够经济地制造大型金属部件。316L奥氏体不锈钢及其变体（如316LSi）因其优异的耐腐蚀性、塑性和可制造性，在基础设施、海洋工程和能源领域获得广泛应用。在WAAM部件进入工程应用时，可靠估算弹性模量是设计和仿真流程中输入的关键材料参数。弹性模量取决于原子间结合力和晶格结构，属于材料固有属性，对微小缺陷不敏感；而屈服强度、抗拉强度等则强烈受位错、析出相和缺陷影响。与激光粉末床熔融(LPBF)相比，WAAM的定向凝固和相对缓慢的冷却速率使其微观结构具有较强的方向性，可能导致明显的弹性各向异性。已有研究多集中于LPBF 316L的弹性行为，关于WAAM不锈钢的研究十分有限，且大多针对薄壁几何体。然而，更接近工业近净形部件形态的厚壁沉积物，其微观结构更为复杂，弹性各向异性的潜在机制和温度稳定性尚未得到充分认识。本研究旨在系统探究厚壁WAAM 316LSi沉积物的弹性响应，重点考察工具路径驱动的重熔行为及其对显微组织和晶体织构的影响，从而建立工艺—结构—性能关系。

研究人员使用1.2 mm直径的Blue Max? 316LSi焊丝，配合GMAW-WAAM系统在Lincoln Electric Additive Solutions（美国俄亥俄州克利夫兰）制备了四种厚壁沉积物。通过独立变化热输入（15和10 kJ/in.）和层间温度（399°C和121°C），设计了HH、HL、LH、LL四种工艺条件，所有沉积物均采用相同的交替平行工具路径和45%焊道重叠。沉积后从所有外表面去除12 mm材料以消除工艺瞬态区，试样均处于未热处理状态。关键技术方法包括：光学金相观察显微组织形貌；电子背散射衍射(EBSD)分析晶体取向；室温拉伸试验（ASTM E8）测量X、Y、Z三个方向的杨氏模量；谐振频率和阻尼分析(RFDA)结合脉冲激励技术(IET)在23°C至400°C范围内测量动态模量。拉伸试样取自四种条件的X、Y方向及HH和HL条件的Z方向；RFDA试样仅取自HL条件。此外，引用文献中的单晶弹性常数计算了不同晶向上的理论模量。

**显微组织与柱状晶形态**：光学金相显示，XY平面呈现等轴状晶粒外观，这归因于截面垂直于柱状晶生长方向的几何效应。XZ平面显示柱状晶沿Z方向定向生长，并略微向X方向倾斜，符合焊接冶金中沿热梯度择优生长的规律。YZ平面则呈现特征性的“波浪状”柱状晶形态，这种波浪形态由交替焊道堆叠和部分重熔造成。大尺寸YZ截面试样从底部到顶部均观察到该波浪形态，证明其贯穿整个沉积高度。

**EBSD晶体织构分析**：EBSD表征显示，沿X轴（沉积方向）存在<100>织构倾向，沿Y轴（横向）存在<111>织构倾向。在FCC晶格中，<100>方向原子堆积密度最低，表现为最柔顺方向；<111>方向堆积密度最高，为最刚性方向。这种织构分布与工具路径中的交替焊道和定向凝固方式直接相关。由于EBSD扫描面积相对粗大柱状晶粒（等效直径约929 μm）有限，该结果仅代表局部趋势，但后续的体积平均方法验证了其宏观代表性。

**单晶弹性计算与室温拉伸模量**：基于316L单晶弹性常数（C₁₁=206 GPa, C₁₂=133 GPa, C₄₄=119 GPa）计算得到<100>、<110>、<111>方向的杨氏模量分别为102、196、285 GPa，形成E_<111> > E_<110> > E_<100>的刚度层级。室温拉伸测试在所有四种工艺条件下均表现出强烈的取向依赖性：X方向模量最低（146–150 GPa），Y方向最高（187–197 GPa），HH和HL条件的Z方向介于中间（157–179 GPa）。热输入和层间温度的变化对模量影响很小，表明试样取向是控制弹性响应的主导因素。

**温度相关动态模量**：对HL条件试样进行的RFDA测量，在室温下获得E_X=161.6 GPa、E_Y=198.4 GPa、E_Z=173.3 GPa，复现了拉伸测试得到的E_Y > E_Z > E_X刚度层级。从23°C升至400°C，该刚度层级保持稳定，动态模量随温度近似线性下降，这与晶格软化行为一致，且未观察到相变迹象。RFDA结果独立确认了弹性各向异性源于晶体取向的统计分布而非残余应力或局部采样误差。

**讨论与结论**：综合金相、EBSD、拉伸和RFDA结果可知，厚壁WAAM 316LSi沉积物的弹性模量方向依赖性主要由工具路径诱导的柱状晶结构和晶体织构控制。残余应力虽存在于未热处理沉积物中，但不是各向异性的主要来源。该弹性各向异性在400°C以下保持稳定，说明其微观结构来源具有良好的热稳定性。本研究为厚壁WAAM部件的设计认证提供了关键的弹性性能数据，并强调了工具路径规划对最终力学性能的重要影响。

研究结论如下：第一，金相分析显示WAAM过程产生了线性和波浪状柱状晶形态，受定向凝固、重复重熔、焊道重叠和交替堆叠顺序控制。第二，EBSD分析指示了<111>沿Y轴、<100>沿X轴的织构倾向，单晶弹性计算证实了该取向分布为所观察的方向刚度层级提供了机理基础。第三，拉伸测试在所有工艺条件下均显示E_Y > E_X，Z取向为中间值；RFDA独立再现了E_Y > E_Z > E_X，且该层级在23°C至400°C内持续存在。这些发现表明，WAAM 316LSi的弹性模量具有明确的方向依赖体响应，其本质源于宏观各向异性柱状晶结构内部的晶体取向分布。未来工作将针对δ铁素体和σ相对杨氏模量的影响，特别是在400°C以上暴露后的行为开展进一步研究。