通過優(yōu)化電弧增材制造中層間溫度，以生產強度更高的超級雙相不銹鋼

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

這項研究以題為“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)評估了75°C、200°C和350°C三種IPT設置對線定向能量沉積過程中UNSS32906 SDSS微觀結構和機械性能的影響。盡管在熱積累和晶粒粗化方面存在顯著差異，但結果顯示，這些設置對相平衡或拉伸強度的影響微乎其微。

△a) CW-GMA 實驗裝置。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

超級雙相不銹鋼因高強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挑戰(zhàn)，尤其是在波動的熱條件下。CW-GMA工藝將冷絲送入氣體保護金屬電弧裝置，可以更好地控制熱輸入，而熱輸入是SDSS相穩(wěn)定性的關鍵因素。

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

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

對工業(yè)應用的影響

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，且不會降低機械完整性。這一發(fā)現(xiàn)表明，更高的層間溫度(IPT) 有助于擴大 CW-GMA 增材制造技術的應用，使其適用于更大的結構部件，例如用于海上、石化或能源基礎設施的結構部件。

作者總結道：“優(yōu)化層間溫度為更高效的制造工作流程提供了途徑，同時保留了 SDSS的性能特征?！?/div>

△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，孔隙率仍然是影響延展性的一個因素，尤其是在較高的IPT下。正在進行的工作將探索氣體屏蔽改進和工藝內變形技術，以減少內部孔隙。

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

熱控制成為金屬增材制造的重點

溫度管理在金屬增材制造的發(fā)展中繼續(xù)發(fā)揮著關鍵作用，精確控制熱輸入和冷卻速率是確保微觀結構穩(wěn)定性和機械性能的關鍵。在整個行業(yè)中，新的工具和技術正在涌現(xiàn)以應對這一挑戰(zhàn)。WAAM3D最近推出了MiniWAAM系統(tǒng)，該系統(tǒng)將先進的熱監(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，像 FLOW-3D AM 這樣的仿真軟件正在幫助工程師建模和優(yōu)化熔池動力學，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，麻省理工學院的研究人員開發(fā)了一種后處理方法，可以改變金屬微觀結構，從而顯著提高耐熱性和耐久性。這些發(fā)展反映出業(yè)界越來越關注溫度，將其作為確保金屬 3D 打印技術的質量、可靠性和可擴展性的核心變量。