通過優(yōu)化電弧增材制造中層間溫度，以生產(chǎn)強(qiáng)度更高的超級(jí)雙相不銹鋼

2025年5月14日，南極熊獲悉，來自克蘭菲爾德大學(xué)焊接與增材制造中心的一個(gè)研究小組證明：通過控制冷絲氣體保護(hù)金屬電弧焊 (CW-GMA) 增材制造中的層間溫度 (IPT) 可以提高工藝生產(chǎn)率，同時(shí)不影響超級(jí)雙相不銹鋼 (SDSS) 零件的機(jī)械性能。

這項(xiàng)研究以題為“Impact of interpass temperatureon the microstructure and mechanical properties of super duplex stainless steelin CW-GMA additive manufacturing”的論文發(fā)表在《制造工藝雜志》上

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.04.091

在本研究中，系統(tǒng)評(píng)估了75°C、200°C和350°C三種IPT設(shè)置對(duì)線定向能量沉積過程中UNSS32906 SDSS微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響。盡管在熱積累和晶粒粗化方面存在顯著差異，但結(jié)果顯示，這些設(shè)置對(duì)相平衡或拉伸強(qiáng)度的影響微乎其微。

△a) CW-GMA 實(shí)驗(yàn)裝置。b) CW-GMA 線和熱電偶位置的圖示。

△不同層間溫度下，SDSS CW-GMA 壁面的 EBSD 分析逆極圖。低倍放大：a) 75 ◦C，c) 350 ◦C，e) 200 ◦C。圖片來自 Poulain 等人，《制造工藝雜志》。

平衡熱量和性能

超級(jí)雙相不銹鋼因高強(qiáng)度和耐腐蝕性而備受推崇，這些特性源于鐵素體和奧氏體相比例大致相等。然而，在增材制造過程中保持這種平衡仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，尤其是在波動(dòng)的熱條件下。CW-GMA工藝將冷絲送入氣體保護(hù)金屬電弧裝置，可以更好地控制熱輸入，而熱輸入是SDSS相穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

雖然更高的IPT導(dǎo)致更高的熱暴露量，并在熔合線附近形成細(xì)小的二次奧氏體，但總體鐵素體-奧氏體比例保持不變。拉伸試驗(yàn)顯示，所有IPT的極限強(qiáng)度約為810 MPa，超過了常規(guī)加工SDSS的常見報(bào)告值。硬度水平也保持穩(wěn)定，平均約為300 Hv。

△a)SDSS CW-GMA 室溫拉伸結(jié)果；a) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線；b) 不同層間溫度下的平均 UTS、YS和伸長(zhǎng)率結(jié)果。圖片來自 Poulain 等人，《制造工藝雜志》。

對(duì)工業(yè)應(yīng)用的影響

重要的是，將層間溫度 (IPT) 從 75 °C 提高到 350 °C，可將層間停留時(shí)間從 20 多分鐘縮短至僅 3 分鐘，從而顯著提高沉積速度，且不會(huì)降低機(jī)械完整性。這一發(fā)現(xiàn)表明，更高的層間溫度(IPT) 有助于擴(kuò)大 CW-GMA 增材制造技術(shù)的應(yīng)用，使其適用于更大的結(jié)構(gòu)部件，例如用于海上、石化或能源基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)部件。

作者總結(jié)道：“優(yōu)化層間溫度為更高效的制造工作流程提供了途徑，同時(shí)保留了 SDSS的性能特征�！�

△a)熱電偶的熱循環(huán)；b) 不同層間溫度條件下，每道次從 800 ◦C 的平均冷卻速率。圖片來自 Poulain 等人，《制造工藝雜志》。

未來方向

研究人員承認(rèn)，孔隙率仍然是影響延展性的一個(gè)因素，尤其是在較高的IPT下。正在進(jìn)行的工作將探索氣體屏蔽改進(jìn)和工藝內(nèi)變形技術(shù)，以減少內(nèi)部孔隙。

CW-GMA 持續(xù)成為一種多功能的金屬增材制造方法，尤其適用于超級(jí)雙相不銹鋼等高難度合金。隨著各行各業(yè)尋求更具可擴(kuò)展性的解決方案，像 IPT 這樣的熱參數(shù)微調(diào)可能成為平衡速度、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的關(guān)鍵。

熱控制成為金屬增材制造的重點(diǎn)

溫度管理在金屬增材制造的發(fā)展中繼續(xù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，精確控制熱輸入和冷卻速率是確保微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械性能的關(guān)鍵。在整個(gè)行業(yè)中，新的工具和技術(shù)正在涌現(xiàn)以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。WAAM3D最近推出了MiniWAAM系統(tǒng)，該系統(tǒng)將先進(jìn)的熱監(jiān)控和多材料兼容性集成到基于電弧的增材制造工作流程中。

同時(shí)，像 FLOW-3D AM 這樣的仿真軟件正在幫助工程師建模和優(yōu)化熔池動(dòng)力學(xué)，從而更深入地了解溫度如何影響凝固和缺陷形成。與此同時(shí)，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種后處理方法，可以改變金屬微觀結(jié)構(gòu)，從而顯著提高耐熱性和耐久性。這些發(fā)展反映出業(yè)界越來越關(guān)注溫度，將其作為確保金屬 3D 打印技術(shù)的質(zhì)量、可靠性和可擴(kuò)展性的核心變量。