電弧增材制造（WAAM）結(jié)構(gòu)鋼的微觀結(jié)構(gòu)和腐蝕行為：與傳統(tǒng)軋制相比！

來源：焊接科學(xué)

2024年07月09日，浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院的研究團隊在《Materials & Design》期刊發(fā)表最新研究文章“Microstructure and corrosion behaviour of structural steel fabricated by wire arc additive manufacturing (WAAM): In comparison with conventional rolling”，研究了通過電弧熔絲增材制造（WAAM）技術(shù)制造的結(jié)構(gòu)鋼與常規(guī)軋制鋼的微觀結(jié)構(gòu)和腐蝕行為的比較。

電弧熔絲增材制造（WAAM）是一種金屬3D打印技術(shù)，它允許以相對及時和成本效益的方式構(gòu)建大型元素，非常適合成本敏感的建筑行業(yè)。盡管這項新興技術(shù)具有潛力，但WAAM材料的基本屬性仍然不清楚。該研究對WAAM鋼板和傳統(tǒng)軋制Q345鋼的微觀結(jié)構(gòu)和腐蝕行為進行了比較研究。在3.5 wt.% NaCl溶液中暴露十二天后，WAAM鋼展示了與常規(guī)生產(chǎn)的鋼相當(dāng)?shù)母g性能，包括腐蝕電流密度以及通過電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析確定的鋼/混凝土界面特性。腐蝕后的觀察顯示，在(Si, Mn)富集的氧化物夾雜物以及周圍鋼基體的一般腐蝕中發(fā)生了優(yōu)先溶解。與Q345軋制鋼相比，由于WAAM鋼的原料中Si和Mn元素含量更高，其局部腐蝕的敏感性略高。

工作亮點
WAAM鋼與傳統(tǒng)軋制Q345鋼在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蝕性能相當(dāng)。

除了周圍基體的一般腐蝕外，夾雜物處發(fā)生了局部溶解。

在WAAM鋼中，(Si, Mn)富集的氧化物夾雜物發(fā)生了優(yōu)先溶解。

在Q345鋼中，S富集的夾雜物及其周圍發(fā)生了顯著的溶解和溝槽腐蝕。

實驗方法

實驗使用了直徑為1.2 mm的ER70S-6鋼焊絲作為WAAM試件的增材制造材料。利用荷蘭MX3D公司的多軸機器人系統(tǒng)進行打印。WAAM過程采用多軸機器人臂在重復(fù)的環(huán)形路徑上操作，MIG焊接噴嘴在基板上方逐層堆疊材料。構(gòu)建完成后，使用等離子弧切割器將橢圓形鋼管從基板上切下，并使用剖面鋸銑平以去除表面波動。Q345軋制鋼的化學(xué)成分根據(jù)中國國家標準GB/T 20123-2006和GB/T 4336-2016獲得。

圖1. 用于制造WAAM鋼的機器人系統(tǒng)

圖2. 構(gòu)建后的WAAM橢圓形鋼管、銑平后的WAAM鋼表面和拋光后的WAAM鋼與Q345鋼的鏡像表面

圖3. WAAM鋼和Q345鋼的拉伸試樣在不同方向上的提取

圖4. Q345軋制鋼和WAAM碳鋼的孔隙形態(tài)和分布典型顯微照片

圖5. (a) Q345軋制鋼和 (b) WAAM碳鋼的三維顯微照片

圖6. 經(jīng)硝酸蝕刻后的Q345軋制鋼和WAAM碳鋼的顯微照片

圖7. (a) Q345軋制鋼和 (b) WAAM碳鋼的滲碳體相的圓形度指數(shù)的顯微照片

圖8. Q345軋制鋼中典型夾雜物的EDS點分析

圖9. Q345軋制鋼中典型夾雜物的EDS元素分布圖和線掃描結(jié)果

圖10. WAAM碳鋼中典型夾雜物的EDS點分析

圖11. WAAM碳鋼中典型夾雜物的EDS元素分布圖和線掃描結(jié)果

論文總結(jié)
該研究比較了通過電弧熔絲增材制造（WAAM）技術(shù)制造的結(jié)構(gòu)碳鋼與傳統(tǒng)生產(chǎn)的碳鋼的微觀結(jié)構(gòu)和腐蝕性能。WAAM碳鋼與Q345軋制鋼相比，具有更高的孔隙率，但并未表現(xiàn)出較差的腐蝕性能。WAAM碳鋼的夾雜物主要由(Si, Mn)富集的氧化物組成，而Q345鋼則包含經(jīng)過鈣處理的Al-killed鋼中的Al2O3∙MgO∙CaO∙CaS∙MnS夾雜物。研究結(jié)果顯示，在3.5 wt.% NaCl溶液中暴露12天后，WAAM鋼與傳統(tǒng)Q345軋制鋼相比，具有相似的開路電位、腐蝕電流密度以及通過EIS檢測的鋼/電解質(zhì)界面特性。兩種鋼材均發(fā)生了夾雜物的局部溶解和周圍基體的一般腐蝕，但WAAM鋼的局部溶解與(Si, Mn)富集的氧化物夾雜物密切相關(guān)。WAAM鋼中的珠光體在腐蝕后相對完好，而Q345鋼則在S富集的夾雜物周圍出現(xiàn)了顯著的溶解和溝槽腐蝕。盡管WAAM鋼的腐蝕性能與Q345鋼相當(dāng)，但WAAM鋼對點蝕的敏感性略高。

論文地址
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113158