通過優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
時間：2025-05-15 09:41 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年5月14日，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”的論文發表在《制造工藝雜志》上
在本研究中，系統評估了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，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，超過了常規加工SDSS的常見報告值。硬度水平也保持穩定，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。這一發現表明，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。”
△a)熱電偶的熱循環；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。隨著各行各業尋求更具可擴展性的解決方案，像 IPT 這樣的熱參數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展中繼續發揮著關鍵作用，精確控制熱輸入和冷卻速率是確保微觀結構穩定性和機械性能的關鍵。在整個行業中，新的工具和技術正在涌現以應對這一挑戰。WAAM3D最近推出了MiniWAAM系統，該系統將先進的熱監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。這些發展反映出業界越來越關注溫度，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。
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