原位橫向磁場輔助電弧定向能量沉積316L不銹鋼成效顯著
原位橫向磁場輔助電弧定向能量沉積316L不銹鋼成效顯著
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423001215
在電弧定向能量沉積(DED-Arc)316L不銹鋼過程中，首次引入了一種新型原位橫向磁場(TMF)進行電磁調控。隨著原位橫向磁場強度從0mT增加到20mT，沉積層的形貌變得更加平坦和寬闊，表面波紋度從1.11mm減少到0.69mm。此外，長柱狀樹枝狀δ-鐵素體(4.82%)可以在γ-奧氏體基體中破碎成短骨架和粒狀δ-鐵素體(2.64%)。結果顯示，施加20mT原位橫向磁場輔助電弧定向能量沉積316L表現(xiàn)出更彌散均勻的枝晶形貌、更優(yōu)的力學性能和耐腐蝕性。華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室李建軍研究團隊證實：通過施加原位橫向磁場輔助可以顯著消除微缺陷（氣孔）、細化顯微組織和提升電弧定向能量沉積金屬零件的服役性能。相關研究成果發(fā)表于增材制造頂刊《Additive manufacturing》上，論文第一作者為仲楊博士，通訊作者為李建軍教授和鄭志鎮(zhèn)教授，論文研究工作受到國家重點研發(fā)計劃項目資助(No. 2018YFB1106501, 2018YFB1106505)。
定向能量沉積使用高能量源將金屬絲或粉末逐層沉積到零件中，為制造具有高性能的復雜零件提供了高度的靈活性和可行性。特別是線弧增材制造的電弧定向能量沉積(DED-Arc)技術，在航空航天、汽車、核電和海洋工程應用中引起了相當大的關注，因為它具有較高的沉積效率和較低的沉積成本，特別是對于不銹鋼、高強度鋼、鋁合金和鈦合金等大型結構金屬零件的制造，優(yōu)勢即可顯現(xiàn)出來。然而電弧定向能量沉積(DED-Arc)金屬零件仍然存在一些主要挑戰(zhàn)，例如沉積形貌差、溫度梯度大和非平衡凝固過程。這會顯著增加后處理成本，促進大柱狀枝晶的形成，加劇有害金屬間化合物的析出，導致服役性能出現(xiàn)一定的惡化。
近年來，非接觸式電磁調節(jié)技術被應用于氣體保護金屬極電弧焊，改善焊縫形貌，細化大柱晶，提高焊件性能。此外發(fā)現(xiàn)在振蕩原位橫向磁場下激光焊接鋁的凝固開裂敏感性降低，這與等軸晶的細化和柱狀晶區(qū)的減少有關。當進一步談到磁輔助定向能量沉積電弧過程時，外部靜態(tài)原位橫向磁場可以細化柱狀枝晶并抑制Nb-Mo原子偏析，從而全面提高機械性能。然而大多數(shù)電磁裝置要么固定在工件下方，要么位于焊道兩側，無法與焊槍同步移動。迄今為止關于大型金屬零件電弧定向能量沉積過程中實時電磁調節(jié)的研究很少。原位橫向磁場與電弧定向能量沉積耦合過程中出現(xiàn)的一些問題：弧柱對原位橫向磁場的敏感性遠高于液態(tài)熔池，如何在不削弱電弧等離子體穩(wěn)定性的情況下進行實時電磁調控熔池流動和細化柱狀枝晶是需要解決的問題；在定向能量沉積電弧過程中，原位橫向磁場對改善熔池流動行為、消除微缺陷和細化微觀結構的影響機制仍不清楚。
華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室的李建軍研究團隊首次將新型原位橫向磁場引入電弧定向能量沉積316L不銹鋼中，以實時改善沉積形貌、消除內部微缺陷并細化柱狀枝晶，系統(tǒng)地分析和討論了有/無原位橫向磁場輔助的電弧定向能量沉積316L的微觀組織演變、力學性能和耐腐蝕性演變，證實了原位TMF在電弧定向能量沉積金屬部件過程中實時改善微觀組織和提升服役性能的可行性和普適性。
總的來說，在這項研究中，一種新型的原位TMF首次應用于電弧定向能量沉積316L不銹鋼過程中，其力學性能和耐腐蝕性能得到改善。這是由于在電磁調控作用下枝晶δ-鐵素體的碎裂和γ-奧氏體的強化。這最終導致γ-δ界面處 Cr-Mo-Ni元素偏析的更多抑制和鈍化膜中Cr-Mo-Ni金屬氧化物的更多富集。主要結論總結如下：
當TMF強度從0mT增加到20mT時，沉積層的形貌變得更平坦、更寬，從而可以顯著降低表面波紋度，大大提高線材利用率。這是因為電弧前向偏轉和熔池中的前向洛倫茲力共同促進了熔池前端液態(tài)金屬流往兩邊，這有助于緩沖大的后向液體流動并改善沉積形貌。
施加20mT TMF，電弧定向能量沉積316L中的長樹枝狀δ-鐵素體(4.82 vol%) 被分裂成更小的骨架和顆粒狀δ-鐵素體(2.64vol%)。同時γ-奧氏體可以從95.1vol%強化到97.3vol%，伴隨著γ-奧氏體和δ-鐵素體之間的K-S和G-T'ORs的分數(shù)增加。δ-鐵素體的碎裂和減少有效地抑制了Cr-Mo-Ni元素偏析，并抑制了γ-δ界面處有害的金屬間化合物的析出（M23C6和σ）。
當TMF強度從0mT增加到20mT時，電弧定向能量沉積316L的平均拉伸伸長率可以持續(xù)提高，而抗拉強度幾乎保持不變。此外沉積區(qū)的平均維氏顯微硬度也可略有提高（180.09 HV→189.6 HV），這與電弧定向能量沉積316L中δ-鐵素體分數(shù)的減少和 δ→γ 的更充分轉變有關。
總之，這項原位橫向磁場電磁調控的研究工作為改善電弧定向能量沉積316L的微觀結構和提高服役性能提供了新的見解和可靠性。將進一步關注在大型磁性金屬部件和非磁性金屬部件的電弧定向能量沉積中應用原位橫向磁場。
引用本文：Yang Zhong, Zhizhen Zheng, Jianjun Li, Cheng Wang. Effect of in-situ transverse magnetic field on microstructure, mechanical properties and corrosion resistance of the directed energy deposited 316L stainless steel[J]. Additive Manufacturing, 2023, 68: 103508.
