层间热循环对电弧增材制造碳钢微观结构演变的影响研究

《Welding in the World》：Influence of interlayer thermal cycling on microstructural evolution in WAAM processed carbon steel

　　本研究针对电弧增材制造(WAAM)过程中层间热循环导致材料性能不均匀的核心问题，通过GMAW基WAAM工艺制备ER70S-6碳钢多层试样，结合金相重建与瞬态热模拟技术，系统揭示了沿构建高度方向的晶粒尺寸演变规律。研究发现从底层快速冷却形成的细针状铁素体到上层慢速冷却形成的粗大等轴铁素体的渐进式转变，△t8/5冷却时间的增加与硬度从205-216 HV降至132-163 HV的关联性，为优化WAAM工艺参数实现微观结构均质化提供了重要理论依据。

　　

在制造业迈向智能化、绿色化的今天，增材制造技术正以前所未有的速度改变着传统生产模式。其中，基于电弧的定向能量沉积(DED-Arc)技术，特别是电弧增材制造(WAAM)，因其成本低、效率高、可成型大尺寸构件等优势，在大型金属结构件制造领域展现出巨大潜力。然而，与激光粉末床融合(PBF-LB)等精密增材制造技术相比，WAAM技术的一个核心挑战在于其逐层沉积过程中复杂的层间热循环会导致材料微观结构和力学性能沿构建高度方向出现显著不均匀性。这种不均匀性严重制约了WAAM技术在关键承重结构件中的应用，因为工程师们难以预测和保证构件整体性能的一致性。

传统的解决方案通常将构件简单划分为底部、中部和顶部三个区域进行分析，但这种粗粒度的方法无法捕捉到微观结构在连续热循环作用下的渐进式演变规律。实际上，每一层沉积材料都会经历独特的“热历史”——不仅包括自身的凝固过程，还包括后续沉积层带来的反复加热效应。这种动态的热相互作用使得晶粒结构可能呈现出无法用简单三分法描述的细化、粗化或再结晶趋势。因此，深入理解层间热循环对微观结构演变的影响机制，成为提升WAAM构件性能一致性的关键科学问题。

正是在这一背景下，哥伦比亚国立大学的研究团队在《Welding in the World》上发表了他们的最新研究成果。该研究通过精心设计的实验和模拟分析，首次系统揭示了WAAM加工碳钢过程中晶粒尺寸沿构建高度方向的连续演变规律，建立了工艺参数-热历史-微观结构-力学性能之间的完整关联链条。

为了深入探究层间热循环的影响，研究人员采用了一套高度集化的研究方法。他们首先利用改装的三轴CNC平台搭建WAAM实验系统，以ER70S-6碳钢为填料，ASTM A36钢为基板，在98% Ar-2% O₂保护气氛下进行逐层沉积。关键创新在于他们制备了1-10层系列试样，而非单一的多层构件，这使得能够精确追踪每一层在后续沉积过程中的微观结构演变。通过金相制备和基于数字图像处理的计算机视觉方法，研究人员实现了沉积体积的线性重建和晶粒边界的自动分割，从而实现了对每个层次晶粒尺寸的精确量化。此外，他们还利用ANSYS瞬态热模拟，采用“单元生死”技术准确再现了沉积过程中的温度场演变，特别是内部难以实验测量的△t_8/5(800°C至500°C的冷却时间)参数。这种实验与模拟相结合的方法，为理解热历史与微观结构演变的关系提供了坚实的数据基础。

Grain growth characterization for the first layer WAAM deposition

晶粒尺寸沿构建高度的演变规律

研究结果显示，WAAM沉积件的微观结构呈现出明显的梯度特征。首层沉积时，由于基板的快速导热作用，材料经历快速凝固，形成平均尺寸仅4.3μm的细小针状铁素体(acicular ferrite)。这种精细结构源于高冷却速率下在非金属夹杂物处的高密度形核。随着沉积层数的增加，下层材料经历反复的热循环，当温度超过奥氏体转变临界点AC₁(~727°C)甚至AC₃(~910°C)时，会发生动态再结晶，导致晶粒逐渐粗化。到第十层时，原首层区域的晶粒尺寸已增大至8.0μm左右，且失去了初始的柱状晶取向。

热历史与相变行为的内在关联

热模拟结果清晰地揭示了不同区域的热经历差异。下层区域由于靠近基板，热量能够快速导出，△t_8/5冷却时间较短(如首层仅0.9秒)，有利于针状铁素体的形成。而上层区域随着与基板距离的增加，热积累效应显著，冷却速率减慢，△t_8/5时间延长至24.3秒。这种慢速冷却条件促进了扩散型相变，使得先共析铁素体(allotriomorphic ferrite)能够沿原奥氏体晶界充分生长，形成粗大的等轴铁素体结构。

Grain size evolution along the build height of WAAM-deposited ER70S-6 steel

微观结构演变与力学性能的对应关系

显微硬度测试结果完美印证了微观结构的梯度变化。底层细小的针状铁素体对应较高的硬度值(205-216 HV)，而上层粗大的等轴铁素体区域硬度明显降低(132-163 HV)。这种硬度分布与△t_8/5冷却时间的增加趋势高度一致，证实了冷却速率通过影响相变行为进而决定材料力学性能的内在机制。

Thermal simulation and transformation behavior of WAAM-deposited ER70S-6 steel

研究的结论部分强调了层间热循环在促进微观结构均质化方面的积极作用。虽然上层区域由于热积累效应会出现晶粒粗化和硬度下降，但中层区域(对应3-8层)在经过充分的热循环后，晶粒尺寸趋于一致(约10μm)，表现出良好的均质性。这一发现具有重要的工程指导意义：对于需要特定最终高度的构件，可以通过沉积额外层数(如超出目标高度2层)来确保目标体积经历充分的再结晶，从而获得更均匀稳定的微观结构。同时，研究指出构件最上部约5mm区域微观结构变异性较大，可以在后续加工中去除而不影响整体完整性。

Microhardness distribution across layers and build height in WAAM processed ER70S-6 steel

这项研究的意义不仅在于揭示了WAAM加工碳钢的微观结构演变规律，更重要的是提供了一套完整的分析方法论——从试样制备、金相重建、图像自动分析到热模拟验证，为后续研究类似问题建立了可借鉴的技术路线。研究结果对优化WAAM工艺参数(如层间停留时间、热输入量等)以实现构件性能均质化提供了明确指导，对推动WAAM技术在大型承重结构制造领域的工业化应用具有重要价值。通过精确控制热历史，工程师们有望设计出具有预定微观结构和力学性能的WAAM构件，这将大大拓展该技术在航空航天、船舶制造、建筑结构等领域的应用前景。