华科顶刊-原位横向磁场辅助电弧定向能量沉积316L不锈钢成效显著！

在电弧定向能量沉积(DED-Arc)316L不锈钢过程中，首次引入了一种新型原位横向磁场(TMF)进行电磁调控。随着原位横向磁场强度从0mT增加到20mT，沉积层的形貌变得更加平坦和宽阔，表面波纹度从1.11mm减少到0.69mm。此外，长柱状树枝状δ-铁素体(4.82%)可以在γ-奥氏体基体中破碎成短骨架和粒状δ-铁素体(2.64%)。结果显示，施加20mT原位横向磁场辅助电弧定向能量沉积316L表现出更弥散均匀的枝晶形貌、更优的力学性能和耐腐蚀性。华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室李建军研究团队证实：通过施加原位横向磁场辅助可以显著消除微缺陷（气孔）、细化显微组织和提升电弧定向能量沉积金属零件的服役性能。相关研究成果发表于增材制造顶刊《Additive manufacturing》上，论文第一作者为仲杨博士，通讯作者为李建军教授和郑志镇教授，论文研究工作受到国家重点研发计划项目资助(No. 2018YFB1106501, 2018YFB1106505)。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423001215

定向能量沉积使用高能量源将金属丝或粉末逐层沉积到零件中，为制造具有高性能的复杂零件提供了高度的灵活性和可行性。特别是线弧增材制造的电弧定向能量沉积(DED-Arc)技术，在航空航天、汽车、核电和海洋工程应用中引起了相当大的关注，因为它具有较高的沉积效率和较低的沉积成本，特别是对于不锈钢、高强度钢、铝合金和钛合金等大型结构金属零件的制造，优势即可显现出来。然而电弧定向能量沉积(DED-Arc)金属零件仍然存在一些主要挑战，例如沉积形貌差、温度梯度大和非平衡凝固过程。这会显着增加后处理成本，促进大柱状枝晶的形成，加剧有害金属间化合物的析出，导致服役性能出现一定的恶化。

 

近年来，非接触式电磁调节技术被应用于气体保护金属极电弧焊，改善焊缝形貌，细化大柱晶，提高焊件性能。此外发现在振荡原位横向磁场下激光焊接铝的凝固开裂敏感性降低，这与等轴晶的细化和柱状晶区的减少有关。当进一步谈到磁辅助定向能量沉积电弧过程时，外部静态原位横向磁场可以细化柱状枝晶并抑制Nb-Mo原子偏析，从而全面提高机械性能。然而大多数电磁装置要么固定在工件下方，要么位于焊道两侧，无法与焊枪同步移动。迄今为止关于大型金属零件电弧定向能量沉积过程中实时电磁调节的研究很少。原位横向磁场与电弧定向能量沉积耦合过程中出现的一些问题：弧柱对原位横向磁场的敏感性远高于液态熔池，如何在不削弱电弧等离子体稳定性的情况下进行实时电磁调控熔池流动和细化柱状枝晶是需要解决的问题；在定向能量沉积电弧过程中，原位横向磁场对改善熔池流动行为、消除微缺陷和细化微观结构的影响机制仍不清楚。

 

华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室的李建军研究团队首次将新型原位横向磁场引入电弧定向能量沉积316L不锈钢中，以实时改善沉积形貌、消除内部微缺陷并细化柱状枝晶，系统地分析和讨论了有/无原位横向磁场辅助的电弧定向能量沉积316L的微观组织演变、力学性能和耐腐蚀性演变，证实了原位TMF在电弧定向能量沉积金属部件过程中实时改善微观组织和提升服役性能的可行性和普适性。

 

图1 配备原位TMF的电弧定向能量沉积增材制造系统

图2电弧定向能量沉积316L直壁墙的横截面图（a）0 mT和（b）20 mT TMF；(c)原理图和(d)TWW、EWW的测量值

 

图3电弧定向能量沉积316L的侧壁表面形貌（a）、（b）、（e）0mT和（c）、（d）、（f）20 mT TMF；(g)YOZ 平面的表面波度

 

图4 施加0mT和20mT TMF辅助电弧定向能量沉积316L示意图

 

图5 施加0mT和20mT TMF辅助电弧定向能量沉积316L不锈钢纵截面中部区域的光学显微图：(a)(d)沉积层顶部区域，(b)(e)中上部区域，(c)(f)中部区域, (g)(j)中下部区域，(h)(k)底部区域，(h)(k)结合区域

图6 施加0mT和20mT TMF辅助电弧定向能量沉积316L不锈钢纵截面中部区域的电镜显微图：(a)(d)沉积层顶部区域，(b)(e)中上部区域，(c)(f)中部区域, (g)(j)中下部区域，(h)(k)底部区域，(h)(k)结合区域

 

图7施加0mT和20mT TMF辅助电弧定向能量沉积316L的低倍和高倍EBSD

 

图8 施加0mT和20mT TMF辅助电弧定向能量沉积316L的拉伸性能和拉伸曲线，在(a)-(b)水平和(c)-(d)竖直方向上拉伸

图9 施加0mT和20mT TMF辅助电弧定向能量沉积316L的拉伸性能和拉伸曲线，在(a)-(b)水平和(c)-(d)竖直方向上拉伸

图10

(a)施加0mT和20mT TMF辅助电弧定向能量沉积316L的显微硬度分布，(b) 沉积区的平均维氏硬度

总的来说，在这项研究中，一种新型的原位TMF首次应用于电弧定向能量沉积316L不锈钢过程中，其力学性能和耐腐蚀性能得到改善。这是由于在电磁调控作用下枝晶δ-铁素体的碎裂和γ-奥氏体的强化。这最终导致γ-δ界面处 Cr-Mo-Ni元素偏析的更多抑制和钝化膜中Cr-Mo-Ni金属氧化物的更多富集。主要结论总结如下：

当TMF强度从0mT增加到20mT时，沉积层的形貌变得更平坦、更宽，从而可以显着降低表面波纹度，大大提高线材利用率。这是因为电弧前向偏转和熔池中的前向洛伦兹力共同促进了熔池前端液态金属流往两边，这有助于缓冲大的后向液体流动并改善沉积形貌。

施加20mT TMF，电弧定向能量沉积316L中的长树枝状δ-铁素体(4.82 vol%) 被分裂成更小的骨架和颗粒状δ-铁素体(2.64vol%)。同时γ-奥氏体可以从95.1vol%强化到97.3vol%，伴随着γ-奥氏体和δ-铁素体之间的K-S和G-T'ORs的分数增加。δ-铁素体的碎裂和减少有效地抑制了Cr-Mo-Ni元素偏析，并抑制了γ-δ界面处有害的金属间化合物的析出（M23C6和σ）。

当TMF强度从0mT增加到20mT时，电弧定向能量沉积316L的平均拉伸伸长率可以持续提高，而抗拉强度几乎保持不变。此外沉积区的平均维氏显微硬度也可略有提高（180.09 HV→189.6 HV），这与电弧定向能量沉积316L中δ-铁素体分数的减少和 δ→γ 的更充分转变有关。

总之，这项原位横向磁场电磁调控的研究工作为改善电弧定向能量沉积316L的微观结构和提高服役性能提供了新的见解和可靠性。将进一步关注在大型磁性金属部件和非磁性金属部件的电弧定向能量沉积中应用原位横向磁场。