通过层间温度与热影响区调控实现高强度马氏体钢电弧增材制造的微观结构工程

《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE》：Microstructure Engineering During Wire-Arc Additive Manufacturing of High-Strength Martensitic Steels

本刊推荐：为解决WAAM（电弧增材制造）高强马氏体钢（如300M）存在的粗大柱状原奥氏体晶粒（PAG）及开裂问题，研究人员通过控制层间温度（<150°C）和热影响区（HAZ）深度，利用奥氏体-马氏体循环相变诱发再结晶，实现了PAG细化（平均尺寸25μm）。该研究为航空航天高强度钢的WAAM工艺提供了关键参数窗口，显著提升材料均匀性与抗裂性。

　　

在航空航天、能源装备等高端制造领域，高强度马氏体钢（如300M钢）因其优异的强度与韧性组合，成为起落架、关键承力部件等重要结构的首选材料。然而，传统锻造工艺制备大型复杂构件时，需经过多道次热加工与大量机械加工，材料利用率低、成本高昂。电弧增材制造（Wire-Arc Additive Manufacturing, WAAM）作为一种以焊丝为原料、通过逐层堆叠实现近净成形的大型金属部件增材制造技术，凭借其高达数公斤/小时的沉积速率、无尺寸限制和极少缺乏熔合等缺陷的优势，为大型高强度钢构件的高效低成本制造提供了新路径。但WAAM技术应用于马氏体钢时，面临一个严峻挑战：沉积态组织往往呈现毫米级尺度的粗大、强织构的柱状原奥氏体晶粒（Prior Austenite Grain, PAG）。这种各向异性组织不仅导致力学性能（如缺口韧性）达不到航空航天标准（如AMS 6419, ASTM E112），更易引发残余应力集中、淬火开裂，以及杂质元素（如硫）在PAG边界偏聚，严重威胁构件服役安全。以往研究多关注工艺参数对成形性的影响，而对WAAM过程中多层循环热作用下的微观结构演化，特别是如何通过工艺控制直接获得细小均匀的PAG结构，缺乏系统认知。

在此背景下，由曼彻斯特大学M. TAYLOR、克兰菲尔德大学J. WANG等学者组成的研究团队，在《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A》上发表了题为“Microstructure Engineering During Wire-Arc Additive Manufacturing of High-Strength Martensitic Steels”的研究论文。该研究创新性地提出，通过精确控制WAAM过程中的层间温度（Interpass Temperature）和热影响区（Heat-Affected Zone, HAZ）深度，可实现在沉积过程中对300M钢进行“在线”循环热处理，利用奥氏体（Austenite）与马氏体（Martensite）之间的反复相变，诱发PAG再结晶细化，从而在沉积态即获得与传统锻件相当的超细晶组织，从根本上避免粗大柱状晶带来的开裂风险。

为验证这一设想，研究人员设计了三项环环相扣的实验研究。首先，通过对比不同层间温度（低温100°C vs. 高温>300°C）下制备的WAAM墙体，直观展示层间温度对PAG结构的决定性影响。其次，利用膨胀仪（Dilatometer）模拟WAAM的热循环过程，结合电子背散射衍射（EBSD）进行PAG重建，精确测定实现晶粒细化所需的关键热参数：最低峰值温度、最低层间温度及必要热循环次数。最后，通过表征不同热输入（影响HAZ尺寸）制备的墙体，验证HAZ重叠深度对晶粒细化均匀性的作用。

研究结果表明，当层间温度严格控制在300M钢的马氏体转变开始温度（M_s，约270°C）以下（建议150°C），确保每层沉积后充分转变为马氏体，且后续沉积层的HAZ能够将前两层材料重新加热至约1000°C以上（高于常规奥氏体化温度870°C）时，即可通过奥氏体“记忆效应”后的再结晶过程，将粗大的柱状PAG（可达毫米级）显著细化至平均25-29微米（相当于ASTM晶粒度8.6级），满足航空航天标准要求。相反，若层间温度过高（如300°C），材料始终处于奥氏体状态，冷却后形成贯穿多层的粗大柱状晶，并在PAG边界观察到沿偏聚带分布的MnS夹杂物，导致构件内部出现沿晶裂纹。

关键技术方法包括：采用等离子钨极电弧（PTA）和冷金属过渡（CMIG）两种WAAM工艺制备300M钢墙体；利用热电偶和红外热像仪监测层间温度与热循环曲线；通过膨胀仪精确复现WAAM热历程；结合大面积EBSD拼图与PAG重建、光学显微镜（含偏振光）、扫描电镜（SEM）及能谱分析（EDS）进行微观结构表征。

III. 研究结果

A. 层间温度对PAG结构的影响

对比研究明确显示，低层间温度（100°C）墙体除最表层外，整体PAG尺寸细小均匀（平均25μm），而高层间温度（>300°C）墙体则呈现贯穿性的粗大柱状PAG，并伴有沿晶裂纹。高层间温度墙体底部组织中还观察到贝氏体，表明冷却速率较慢。

B. 热循环中PAG细化的条件

膨胀仪实验表明，在快速加热（200°C/s）条件下，300M钢在奥氏体化过程中先呈现“记忆效应”（870°C峰值温度下原始柱状晶形貌重现），随后在峰值温度超过950-1000°C时发生再结晶，实现晶粒细化。层间温度需低于200°C（建议150°C）以确保层间形成足够体积分数的马氏体（>79%），为再结晶提供驱动力。经过3次1000°C热循环后，PAG尺寸可细化至27μm。

C. HAZ深度对PAG细化均匀性的影响

对采用150°C层间温度制备的CMIG墙体分析表明，当HAZ中再奥氏体化深度（>1000°C区域）能重叠至前两层沉积层时，材料经历至少两次奥氏体-马氏体循环，PAG显著细化；否则将出现粗晶与细晶交替的层状组织，影响均匀性。

IV. 结论与讨论

本研究成功揭示了通过WAAM过程本身实现300M钢PAG细化的物理机制与工艺窗口。其核心在于利用快速热循环诱发奥氏体记忆效应后的再结晶，而非依赖后续长时间热处理。研究提出了两条关键工艺准则：一是采用低层间温度（≤150°C）确保马氏体相变充分进行；二是保证HAZ中再结晶温度（约1000°C）以下深度至少重叠两个沉积层。该准则有望推广至其他具有类似相变行为的马氏体钢WAAM制造，为高性能大型金属构件的增材制造提供了重要的理论与技术支撑。通过本工艺获得的沉积态细晶组织不仅避免了开裂风险，其后续热处理响应也更优，展现出广阔的工程应用前景。