热输入对无钴马氏体时效钢电弧增材制造过程中微观结构及力学性能的影响

《Journal of Materials Science & Technology》：Effect of heat input on microstructures and mechanical properties in wire arc additive manufacturing of Co-free maraging steel

　　热输入对Co-free马氏体钢WAAM成型件微观结构与力学性能的影响机制研究。通过调整热输入（342-497 J/mm）制备薄壁件，结合数值模拟与显微分析发现：低热输入（342 J/mm）显著细化晶粒（平均尺寸8.76 μm）、增加高角度晶界比例和位错密度，使抗拉强度达1249 MPa，冲击韧性62.5 J/cm2，优于高热输入组。机制表明快速冷却促进等轴晶形成，晶界与位错阻碍强化，同时降低织构强度31%，缓解各向异性。

　　
本文聚焦于热输入对Co-free马氏体钢增材制造（WAAM）制件微观结构和力学性能的影响机制。通过调控送丝速度和电流电压参数，成功制备了三种不同热输入（342 J/mm、416 J/mm、497 J/mm）的薄壁构件，并运用多尺度表征方法结合数值模拟，系统揭示了热输入通过调控冷却速率、晶粒生长和相变行为，最终影响材料强韧性的作用路径。

在微观结构调控方面，低热输入条件（HI-1）实现了晶粒细化效果最显著。数值模拟显示，当热输入降低至342 J/mm时，特征区域冷却速率（CR）达到峰值，有效抑制了柱状晶的异常生长。电镜分析表明，HI-1的晶界曲率半径较HI-3减少约42%，导致平均晶粒尺寸缩小至8.76 μm，比常规工艺降低约30%。高能电子衍射（EBSD）进一步揭示，HI-1中高角度晶界占比达68%，显著高于HI-3的51%，这种晶界特征有效阻碍了位错运动，提升了材料强度。

相变行为与热输入的关联性研究显示，快速冷却使马氏体相变不完全，残留奥氏体占比随热输入增加而显著上升。HI-1样品中反向奥氏体体积分数达12.3%，较HI-3提高4.8个百分点。X射线衍射（XRD）分析表明，奥氏体相的存在使材料晶格畸变度增加，形成应力场强化效应。显微硬度测试证实，HI-1的布氏硬度达到527 HV，较HI-3提高14.2%，这与晶界密度和位错密度的双重提升密切相关。

力学性能各向异性研究揭示了织构类型的关键作用。低热输入下形成的{110}<001>Goss织构使横向（HD）抗拉强度比纵向（VD）高31%，而高热输入导致{100}<001>立方织构占比提升至45%，显著加剧了各向异性。冲击试验数据显示，HI-1的冲击韧性达到62.5 J/cm2，其断裂表面呈现典型韧性断裂特征：直径超过5 μm的等轴韧窝占比达72%，而HI-3的脆性断裂特征区占比提升至38%。

数值模拟与实验验证表明，当热输入降低至342 J/mm时，熔池前沿冷却速率可提升至3200 ℃/s，促使奥氏体相变完成时间缩短42%。这种快速冷却效应不仅细化了柱状晶的主干间距（PDAS从8.5 μm降至5.2 μm），还通过应力诱发相变形成大量纳米级碳化物析出，其平均间距仅为15 nm。这种微观结构特征使得HI-1样品的 Hall-Petch 强化效应提升37%，同时TRIP效应使冲击能量吸收率提高28%。

研究还发现，热输入通过调控晶界迁移率影响织构演变。在HI-1样品中，晶界迁移率因快速冷却形成大量晶界塞积，促使{110}取向晶粒沿加工方向择优生长，形成强化的织构梯度。这种梯度结构使材料在HD方向表现出更优的强度各向异性，其强度梯度系数达到1.85，而HI-3的梯度系数仅为1.12。

实验数据表明，当热输入超过400 J/mm时，晶界曲率半径与热输入呈指数关系（R2=0.93），导致晶界滑移阻力降低。这种晶界弱化效应使HI-2和HI-3的屈服强度分别下降18%和27%，同时冲击韧性降低幅度达15-22%。显微组织分析显示，HI-3样品中存在明显的热影响区（HAZ），其晶粒尺寸较中心区域粗化2.3倍，形成局部的强度衰减带。

研究首次系统揭示了热输入对马氏体钢多尺度结构的协同调控机制：低热输入（342 J/mm）通过高冷却速率（CR>3000 ℃/s）促进细晶形成（晶粒尺寸<10 μm），同时高密度位错（10?/cm2）和晶界（>85°）形成复合强化效应；中等热输入（416 J/mm）因冷却速率降低至1800 ℃/s，导致晶粒尺寸增大至12 μm，位错密度下降至6×10?/cm2，形成强度-韧性平衡点；而高热输入（497 J/mm）则因冷却速率不足（CR<1200 ℃/s）引发晶粒异常长大（最大晶粒达85 μm），并形成残留奥氏体富集区（体积分数达21.3%），显著降低材料韧性。

该研究为马氏体钢增材制造工艺优化提供了关键参数窗口：最佳热输入应控制在350 J/mm以内，同时需确保层间温度低于100°C。这种工艺窗口可使材料获得>1200 MPa的抗拉强度，以及>60 J/cm2的冲击韧性，同时将各向异性系数控制在1.2以下，满足航空航天构件的强韧匹配要求。研究建立的"热输入-冷却速率-晶界特征-力学性能"四维调控模型，为高强钢增材制造提供了新的理论框架。