基于GMAW-WAAM工艺的TM-B9高强低合金钢L形结构微观组织与力学性能研究

为解决传统加工高强低合金钢(HSLA)的难题，研究人员采用气体保护金属极电弧焊(GMAW)基线的线弧增材制造(WAAM)工艺，成功制备了100层TM-B9 HSLA钢L形结构。研究揭示了不同区域（转角、水平与垂直方向）的微观组织特征，测得水平试样抗拉强度(UTS)达1160.41±34.92 MPa，垂直试样为1039.81±56.90 MPa，均显著优于传统TM-B9钢性能。该成果为复杂HSLA构件的高效制造提供了新方案。

　　

在能源电力、航空航天等领域，高强低合金钢(HSLA)因其优异的强度与耐热性成为关键材料。然而传统TM-B9钢加工面临高硬度导致的刀具磨损快、需专用设备等挑战。线弧增材制造(WAAM)技术以其近净成形、高沉积速率等优势，为复杂HSLA构件制造提供了新思路。印度理工学院机械工程系的研究人员通过气体保护金属极电弧焊(GMAW)-WAAM工艺，系统研究了TM-B9钢L形结构的可制造性与性能调控机制，相关成果发表于《Results in Surfaces and Interfaces》。

研究采用1.2 mm直径TM-B9药芯焊丝，在6 mm厚低碳钢基板上沉积100层L形结构，优化参数为电压21 V、行进速度5 mm/s、送丝速度6.5 mm/s、氩气流量15 L/min。通过金相显微镜、万能试验机等设备，系统表征了转角/水平/垂直方向的微观组织与力学性能。

3.1 L形多层结构

成功制备的L形构件显示层间无缝融合，无剥离缺陷。通过180°焊丝旋转策略实现了几何精度控制，仅边缘存在少量需后处理的焊瘤。

3.2 宏观与微观组织

宏观分析显示各区域熔合线呈半圆形横向分布，无氧化缺陷。微观上底部为等轴晶（冷却速率>10³ K/s），中部呈现树枝晶-等轴晶过渡区，顶部则以细树枝晶为主（冷却速率~10² K/s）。这种梯度结构导致显微硬度从底部356 HV增至顶部379 HV。

3.3 力学性能

3.3.1 拉伸性能

水平方向试样UTS(1160 MPa)比垂直方向(1040 MPa)高11.6%，归因于层间结合与晶界强化效应。两类试样延伸率均超过传统TM-B9钢的16%，断口均匀分布的韧窝证实其良好延性。

3.3.2 冲击试验

水平/垂直试样冲击功分别为26.8-28.3 J和25.2-25.7 J，SEM显示均为韧窝断裂形貌，表明各向异性可控。

3.3.3 显微硬度

转角区域硬度最高达381 HV，与细晶强化理论相符。整体硬度波动<7%，证实工艺稳定性。

该研究首次证实GMAW-WAAM工艺制备TM-B9钢的强度可达传统工艺的145%，且突破层间结合强度瓶颈。通过调控热循环获得梯度组织，兼顾强度与韧性，为涡轮叶片等承温部件的一体化制造提供了新范式。沉积速率达300 cm³/h的工艺参数，更凸显其在大型构件制造中的经济性优势。未来可进一步研究多轴载荷下的疲劳性能，推动该技术向航空发动机机匣等关键部件应用。