316L不锈钢和镍基合金梯度材料MIG焊电弧增材制造工艺研究学习体会

文献概况与增材制造背景

广东技术师范大学温淳杰等人发表在《精密成形工程》2024年第10期的这篇论文，采用MIG焊电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）技术，实现了316L不锈钢和Inconel 625镍基合金的功能梯度材料制备。该研究由国家自然科学基金、广东省教育厅项目和校创新强校工程联合资助，体现了产学研协同创新的模式。

增材制造技术近年来在航空航天、能源、医疗等领域得到快速发展。与传统减材制造相比，增材制造具有材料利用率高、设计自由度大、可制造复杂结构等优势。然而，单一材料的增材制造往往难以同时满足强度、韧性、耐蚀性等多种性能要求。功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGM）通过在材料内部实现成分或结构的连续或阶梯式变化，能够有效协调不同区域之间的性能需求，在热障涂层、耐磨件、异种材料连接等领域具有重要应用价值。

梯度材料设计与工艺方法

梯度比例设计

该研究设计了两种梯度比例方案：5%梯度和25%梯度。所谓梯度比例，是指在增材制造过程中，316L不锈钢和Inconel 625焊丝的切换频率或比例。5%梯度意味着每100层中仅有约5层的材料切换，梯度变化平缓；25%梯度则意味着每100层中有约25层发生材料切换，梯度变化更为剧烈。

双脉冲电弧模式

论文采用双脉冲电弧模式进行焊接增材。双脉冲模式是指在焊接过程中交替施加两种不同幅值的脉冲电流，其中大脉冲负责熔化和熔敷金属，小脉冲负责稳定熔池和细化晶粒。这种模式相比传统脉冲焊具有更好的熔池稳定性和更优的焊缝成形质量。

双脉冲模式在增材制造中的优势在于：

• 大脉冲提供足够的熔敷率，保证沉积效率。
• 小脉冲降低瞬时热输入，减少热裂纹倾向。
• 交替脉冲有助于控制熔池几何形状，提高层间结合质量。

试验结果与关键发现

成形质量与缺陷分析

两个试样均成功完成了50层的往复堆积，表面成形良好，宏观上无未熔合、流淌、裂纹等缺陷。横截面检查也未发现气孔和热裂纹。这说明双脉冲电弧模式在梯度材料增材制造中具有较好的工艺稳定性。

然而，关键发现在于25%梯度样品中出现了明显的质量问题。在75%（质量分数）316L与25% Inconel 625的过渡区域，通过扫描电镜观察发现了裂纹，导致该区域的硬度和拉伸性能下降。相比之下，5%梯度样品不存在这一问题，总体质量良好。

这一结果具有重要的工程启示：梯度材料的过渡比例设计至关重要。过渡比例过大（如25%）会导致材料成分变化过于剧烈，在异种材料界面处产生较大的残余应力和热应力，进而引发裂纹。而过渡比例过小（如5%）则能够实现更平缓的成分过渡，有效缓解界面应力，获得性能更优的梯度材料。

硬度与力学性能

硬度随着镍基合金比例的增大而增加，这符合预期。Inconel 625镍基合金的硬度通常高于316L不锈钢，因此镍基合金含量越高，整体硬度越高。5%梯度样品由于过渡平缓，硬度和拉伸性能均表现良好，而25%梯度样品在过渡区域出现了性能下降。

沉积效率方面，5%梯度样品的沉积效率高于25%梯度样品。这可能因为25%梯度方案中频繁的材料切换导致了更多的工艺中断和参数调整，从而降低了整体效率。

与工程实践的结合

在工程实践中，梯度材料的增材制造面临以下挑战：

• 焊丝切换的自动化控制：在实际生产中，焊丝切换需要精确的时序控制，否则容易在切换点产生成分突变和工艺不稳定。
• 层间温度控制：增材制造过程中，每层沉积都会带来热积累，温度过高会导致晶粒粗化和残余应力增大。
• 残余应力管理：梯度材料由于不同区域热膨胀系数不同，在冷却过程中会产生较大的残余应力，可能导致变形甚至开裂。
• 后处理需求：增材制造的梯度材料通常需要进行热处理（如退火、固溶处理）来消除残余应力、优化组织。

对于316L不锈钢和Inconel 625的梯度材料，典型的应用场景包括：

• 异种材料连接件：如不锈钢与镍基合金的过渡接头。
• 热障涂层基底：利用梯度结构缓解热应力。
• 耐磨耐蚀复合件：不同区域满足不同工况需求。

关键疑问与深层思考

该论文的一个核心问题是：为什么25%梯度在75% 316L + 25% Inconel 625区域出现裂纹，而在其他区域没有？这可能与该区域的成分突变幅度最大有关。在增材制造过程中，当焊丝从316L切换到Inconel 625时，熔池中的合金元素浓度会发生突变，导致凝固过程中的固相线和液相线温度变化，进而影响凝固组织的形态和残余应力的分布。

另一个值得思考的问题是：该研究仅进行了拉伸性能测试，未涉及疲劳性能、蠕变性能、耐腐蚀性能等。在实际工程应用中，这些性能同样重要，尤其是对于承受交变载荷或高温腐蚀工况的部件。

此外，论文采用的多级指标评价系统是一个值得推广的方法论，它将成形质量、力学性能、微观组织等多个维度纳入综合评价体系，避免了单一指标评价的片面性。

学习心得与启示

这篇论文的核心价值在于证明了MIG焊电弧增材制造在功能梯度材料制备中的可行性，并揭示了梯度比例对材料性能的关键影响。5%梯度方案的成功表明，平缓的成分过渡是获得高质量梯度材料的关键策略。

对于从事增材制造技术的工程师而言，该研究提示我们在设计梯度材料工艺时，应充分考虑到异种材料界面处的应力集中和成分突变问题。在实际应用中，建议采用有限元模拟预先分析残余应力分布，结合试验验证优化梯度比例。同时，还应建立完善的后处理工艺规范，通过热处理优化组织和性能。

该研究还展示了增材制造在异种材料连接领域的巨大潜力。随着双脉冲电弧模式的进一步优化和自动化控制水平的提高，梯度材料的增材制造有望在航空航天、能源装备等领域实现更广泛的应用。