英国巴斯大学顶刊丨液氮低温冷却对定向能量沉积增材制造316L不锈钢组织及力学性能的影响

在电弧增材过程中，高热输入往往会形成晶粒较大的微结构，这一情况可能会导致各向异性的出现并影响材料性能。目前有多种方法和策略可用于优化电弧增材所得微结构，其中一种为通过接种法来改变线材性能，但这种方法 会改变合金成分，并且有可能会增加原料成本。其他方法包括额外表面加工工艺，如轧制，或在层内或层间基础上进行喷丸处理。然而，由于要使冷加工机制有效，这些处理必须在零件冷却到一定温度后进行，因此整个零件的制造时间也会变长。相比之下，基于冷却的附加工艺可以消除任何层间停留时间，同时还能提供适合晶粒细化的优先热边界条件。本研究对层间气体冷却、热电冷却和浸没式水基冷却进行了研究。 

本文对在GMA焊接矩后进行局部低温冷却这一现象进行了相关研究。这种额外的工艺冷却能力更佳且更接近熔池能力，因此其有可能比先前探索的方法更加有效地改变热边界条件，即对微观结构及相关力学性能均产生影响。

使用ESAB Aristo 4004i焊接电源、直径为1 mm的焊丝和基于脉冲GMA的焊丝电弧DED工艺参数(送丝速度为2 m/min，移动速度为4.1 mm/s)，在每种冷却条件下沉积了高度约为100 mm、移动方向长度为155 mm的薄壁。设备的配置如图1a所示。墙体采用平行路径沉积策略建造，图1b所示为层间温度传感器，用于监测焊缝开始位置的材料温度。采用3bar加压180L杜瓦瓶中的液氮(LN2)对熔池进行低温冷却。

将如图1c所示的喷嘴出口通过真空夹套管安装在焊枪后，并使之与电弧保持同步运动。喷嘴位于建筑高度上方几毫米处，LN2喷管呈一定角度，以在电弧后约15毫米处珠心区域瞄准沉积物。这种结构能确保LN2和膨胀的N2到达沉积物表面，避免因N2膨胀而破坏电弧。

沉积后，对壁进行切片，并提取样品进行EBSD分析和拉伸测试，操作如图2所示。按照ASTM E3详细介绍的标准金相制备程序进行操作，拉伸试样的尺寸符合ASTM E8/E8M，试样厚度为3.2 mm。单轴拉伸试验是在室温下进行的，使用Instron 3369, 50 kN的测压元件，Instron 2630-106夹子式量程记录应变，以估计杨氏模量(E)(杨氏模量越高，硬度越大)。对于样品纹理成像，在YZ平面上用带有EBSD功能的JEOL JSM-IT500 InTouchS- copeTM对图2所示中间部分的中心区域进行扫描。将标本对齐，使构建方向指向上方，并在构建方向的相似高度拍摄SEM图像，以保持一致性。100倍和2000倍放大倍率图像覆盖面积分别为1250 × 971 mm(步长4.00 mm)和62 × 48 mm(步长90 nm)。采用TSL OIM AnalysisTM 8软件对EBSD扫描结果进行分析。

       

图2 拉伸试样和EBSD试样的提取位置

强调晶粒方向的EBSD反极图(IPFs)如图3所示。层间温度控制下样品包含如图3a和b所示的沿构建方向排列的大柱状晶粒，它们是电弧DED下的典型产物。相比之下，图3c所示样品经过了低温冷却，其包含尺寸减小的晶粒和具有羽状形貌的织构，这是粉末激光DED中更典型的微观结构。虽然图3c覆盖区域较小，但图3a中柱状晶粒结构更加明显，不像经过低温冷却的样品一样含有晶粒方向多样化的区域(图3c)，这表明晶粒成核和生长发生了根本性的局域变化。其原因可以归于最大热梯度的变化方向，从而打破了主导晶粒沿着易生长方向生长。与此同时，熔池的快速冷却也促进了凝固前端的形核，阻碍了晶粒生长。在以上两种环境影响下，晶粒表现出显著镶嵌性，且IPF图颜色略有波动。这种情况具有代表性，是由于位错和晶体错向而导致的样品内部应变。

图3  层间温度控制 a) IPF 100x mag b) IPF 2000x mag d) 纹理指数和过程冷却 c) IPF 2000x mag e) 纹理指数，所有IPF图参考方向均为建构方向

本文对电弧DED下的316L型不锈钢在层间温度控制和过程低温冷却条件下的晶粒组织进行了分析，并对其冶金性能和力学性能进行了研究，得出了以下结论:

3）与层间温度控制相比，通过减少与100个构建方向对齐的纹理，过程低温冷却增加了126%的E（杨氏模量）。本研究得出了通过过程低温冷却可提高硬度这一重大发现，有助于推动电弧增材部件在建筑结构及核方面的应用。