960高强钢脉冲TIG电弧增材制造热过程及组织与力学性能研究学习体会

文献概况与技术背景

陆万全等发表于《材料导报》2023年第37卷第14期的这篇论文，研究了脉冲TIG电弧增材制造（WAAM）在960高强钢薄壁构件制造中的应用。960高强钢属于高强度低合金钢（HSLA）范畴，具有优异的强度和韧性匹配，广泛应用于桥梁、船舶和海洋工程结构。电弧增材制造作为一种快速成形技术，通过逐层堆积金属丝材实现三维构件的制造，为高强钢复杂结构件的快速制造提供了新的技术路径。

热过程与熔滴过渡分析

直流TIG与脉冲TIG的热过程对比

文献对比了直流TIG-WAAM和脉冲TIG-WAAM两种工艺下的热过程特征。直流TIG-WAAM采用连续热输入，熔池温度持续较高，熔池尺寸较大，熔池稳定性受重力影响显著。脉冲TIG-WAAM通过周期性变化的电流实现热输入的脉冲化，脉冲期间产生高熔深，基值期间允许熔池部分凝固，从而有效抑制熔池下垂和坍塌。

熔滴过渡模式

文献通过高速摄影观察了两种工艺下的熔滴过渡模式。直流TIG-WAAM的熔滴过渡模式为大滴过渡，过渡频率为5.24 Hz。大滴过渡意味着每个熔滴的尺寸较大，过渡时携带的动能较高，容易造成飞溅和熔池扰动。脉冲TIG-WAAM的熔滴过渡模式为细滴过渡，过渡频率提高至9.17 Hz。细滴过渡的熔滴尺寸小、过渡频率高，熔池扰动小，有利于提高成形精度和表面质量。

微观组织演化规律

沉积层组织分布

文献揭示了沉积层自下而上的微观组织分布特征。底层为细小奥氏体晶粒，这与第一层沉积时快速冷却的凝固条件有关。中层为粗大等轴晶，随着沉积层数增加，底层金属的预热效应使熔池冷却速率降低，晶粒有充分时间长大。顶层为奥氏体组织，反映了表面层的凝固特征。

脉冲对组织均匀性的改善

脉冲的引入有效改善了组织均匀性，促进了回火马氏体组织的形成。回火马氏体是960高强钢的典型组织，由马氏体与碳化物组成，具有良好的强度和韧性匹配。脉冲TIG-WAAM通过控制热输入和冷却速率，促进了回火马氏体的形成，提高了材料的塑性和韧性。

力学性能与工艺优化

脉冲TIG-WAAM制备的构件在力学性能方面表现出优于直流TIG-WAAM的趋势。脉冲工艺下形成的回火马氏体组织具有更好的塑性和韧性，这对于高强钢构件的应用至关重要。960高强钢的典型力学性能要求包括抗拉强度≥960 MPa、屈服强度≥860 MPa、延伸率≥12%、冲击韧性≥47 J（-20°C），脉冲TIG-WAAM工艺通过优化组织为达到这些性能指标提供了可能。

工程应用展望与思考

电弧增材制造技术在高强钢构件制造中的应用面临几个关键挑战。首先是热累积效应，逐层沉积过程中热输入不断累积，可能导致底层组织粗化和残余应力过大。其次是各向异性问题，增材制造构件的力学性能通常存在方向依赖性，这对于承受复杂载荷的工程结构件需要特别关注。

我认为，脉冲TIG-WAAM技术在960高强钢构件制造中的应用前景广阔，特别是在船舶和海洋工程领域，可用于制造大型复杂结构件。但工程化应用需要解决以下问题：一是工艺参数的标准化和工艺窗口确定；二是增材制造构件的质量检测和验收标准制定；三是热后处理工艺的开发，以消除残余应力和改善组织均匀性。

该文献为脉冲TIG电弧增材制造在960高强钢领域的应用提供了系统的实验数据和技术参考，其关于熔滴过渡、组织演化和力学性能的规律性认识对工艺优化具有重要的指导意义。