《Journal of Materials Research and Technology》：Numerical and Experimental Analysis of the Residual Stress and Microstructure in Stainless Steel Thin-walled Components Manufactured by Wire Arc Additive Manufacturing
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电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM)的瞬态热循环引起非均匀塑性变形、较高残余应力及较高δ-铁素体(δ-ferrite)含量，可能对服役寿命、力学性能、尺寸精度造成负面影响甚至导致制造过程中材料失效。为控制上
电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM)的瞬态热循环引起非均匀塑性变形、较高残余应力及较高δ-铁素体(δ-ferrite)含量，可能对服役寿命、力学性能、尺寸精度造成负面影响甚至导致制造过程中材料失效。为控制上述不利影响，深入理解制造过程中残余应力与显微组织的形成机制至关重要。本研究采用数值模拟与实验方法，研究WAAM沉积AISI 316L薄壁结构过程中的显微组织演变与残余应力演化。显微组织采用光学显微镜与扫描电子显微镜进行分析；残余应力通过中子衍射(neutron diffraction)测量并利用热-力学(Thermo-mechanical)模型进行数值模拟。结果表明，显微组织中枝晶间δ-铁素体含量低于10%，可提供较高韧性；材料发生铁素体-奥氏体(Ferrite-Austenite, FA)凝固模式，对凝固裂纹敏感性较低；由于周期性材料沉积，材料呈现周期性显微组织——各焊道中心处等轴树枝晶具有较低G/R比(6.78 ℃·s/mm2)，焊道底部及侧部近熔合线处为具有显著高G/R比的柱状及胞状结构。最高与最低残余应力分别垂直于堆积方向(build direction)，出现在行进方向(travel direction)与横向(transverse direction)。约束状态下薄壁件两端堆积方向残余应力可达500 MPa，解释了该区域较高的开裂倾向。通过改变WAAM约束水平（包括外部夹紧与外部基板刚性），可控制残余应力、尺寸精度及生产过程中的失效行为。
《Journal of Materials Research and Technology》发表论文解读——Sarmast A等：WAAM制备AISI 316L薄壁件残余应力与显微组织的数值及实验研究
一、研究背景与意义
电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM / Directed Energy Deposition-Arc, DED-Arc)以熔化极气体保护焊(GMAW)、钨极惰性气体保护焊(TIG)或等离子弧为热源，以焊丝为原材料逐层堆积成形大尺寸金属构件，具有沉积率高、成本低、适用材料广等优势。然而WAAM过程中重复性的局部加热与冷却引入显著的非均匀温度场，导致构件中产生较高水平的残余应力(Residual Stress, RS)，可能引发应力腐蚀开裂、氢致开裂、疲劳寿命降低、脆性断裂、尺寸畸变、层间开裂及沉积层与基板剥离等有害影响。奥氏体不锈钢AISI 316L因优异的耐蚀性与高温力学性能被广泛应用，其凝固过程中δ-铁素体(δ-ferrite)的含量与分布显著影响凝固裂纹敏感性与力学性能，而层间不同冷却速率亦改变保留δ-铁素体量。现有研究中，实验法测定残余应力成本高、测点有限，无法获知全域三维分布；零件级(Part-scale)数值模拟精度不足，介观尺度(Meso-scale)模拟计算量过大难以应用于多层构件，且针对WAAM工艺及AISI 316L凝固模式与δ-铁素体相形成对残余应力影响的系统性研究较少。为此，研究人员以AISI 316L薄壁WAAM试样为对象，结合实验表征与顺序耦合热-力学有限元模拟，阐明显微组织演变规律（含凝固模式、亚晶粒结构及δ-铁素体含量）与三维残余应力形成及演化机制，并量化外部约束（夹具夹紧、基板刚性）对残余应力幅值与分布的影响，为WAAM工艺优化与变形/开裂控制提供理论与数据支撑。
二、主要关键技术方法
研究人员采用AISI 316L焊丝（直径1.2 mm，C＜0.01 wt.%，Cr 18.3，Ni 11.9，Mo 2.6）在AISI 304基板(160×40×10 mm3)上通过Fronius CMT(Cold Metal Transfer)工艺（电压14.8±0.3 V，电流133.4±3.5 A，行走速度300 mm/min，层间温度150 ℃，Ar+2.5%CO2保护气）制备单道薄壁墙（20层，交替往返沉积）。主要方法包括：(1)热历史记录——基板预埋热电偶结合红外测温；(2)室温拉伸试验（按DIN EN ISO 6892-1，沿行进/堆积/45°对角线方向取样）标定材料本构；(3)金相分析（Beraha II侵蚀）与电子背散射衍射(Electron BackScatter Diffraction, EBSD, Zeiss Sigma 300)表征晶粒取向、相分数及亚晶粒结构；(4)中子衍射(Neutron Diffraction, KOWARI谱仪，λ=1.53 ?，γ-Fe (311)反射，4×4×4 mm3计量体积)测量薄壁中轴线残余应力；(5)Abaqus建立3D对称顺序耦合热-力学模型——双椭球热源（电弧效率η=0.9）、随温度变化的物性与力学参数（由JMatPro V14.1基于CALPHAD计算）、潜热183 kJ/kg、各向同性硬化、单元渐进激活(element progressive activation)、实测夹具边界条件——并与实测热循环和中子衍射应力校核验证。
三、研究结果
4.1. Microstructure and mechanical properties（显微组织与力学性能）
金相观察显示柱状奥氏体晶粒沿散热方向（朝向冷基板）外延生长，侧壁晶粒略弯向边缘。单层内由熔池底部至顶部呈现不同亚晶粒结构：熔池底部及侧熔合线处温度梯度G最大、生长速率R趋近零，G/R比极高(~∞)，形成胞状(cellular)及柱状树枝晶(columnar dendrites)；熔池中上部中心线处G较小、R较大，G/R最低(6.78 ℃·s/mm2)，形成等轴树枝晶(equiaxed dendrites)。根据Creq/Nieq（计算得22.48%/12.72%=1.77，属FA凝固模式），材料先析出δ-铁素体后转变为奥氏体，可降低凝固裂纹敏感性。EBSD定量测得δ-铁素体体积分数约7.8%（其余为γ-奥氏体），处于5%~10%有益区间——既抑制凝固热裂又不过度损害塑性。EBSD显示明显<001>//堆积方向(Build Direction, BD)织构，源于最高温度梯度方向为易生长立方晶体轴；拉伸测试表明各方向屈服强度与抗拉强度相当，但45°对角方向断后延伸率显著更高，归因于更多滑移系启动及裂纹沿δ-铁素体偏折。因δ-铁素体含量低，热-力学模型可按单相奥氏体材料处理。
4.2. Thermal history（热历史验证）
模拟熔池形貌、尺寸与实测基本吻合；基板热电偶(TC6、TC7)记录的加热/冷却曲线与模拟热循环一致性良好，最高温度平均偏差分别为约6%与3%。微小差异源于模型简化（对流系数线性过渡、密度恒定、忽略熔池对流对G/R的绝对数值影响、未模拟实际各道次细微参数波动及重熔区几何差异）。
4.3. Residual stress（残余应力）
4.3.1. Experimental analysis（实验分析）
中子衍射测得薄壁中轴线残余应力呈拉-压-拉分布：行进方向(Longitudinal/Travel Direction, x向)残余拉应力最高（典型WAAM单壁墙特征），堆积方向(Build Direction, z向)较低，横向(Transverse Direction, y向)因无侧向约束几乎无显著应力。基板内非线性S形应力分布反映基板在沉积热应力下的塑性弯曲。个别测点异常（59 mm处）归因于大晶粒导致的低晶粒统计效应(grain statistics)。
4.3.2. Numerical simulation（数值模拟）
AISI 316L在WAAM温度区间内无非扩散型固态相变，残余应力完全由不均匀热膨胀—收缩受约束引起。首道沉积加热阶段邻近熔池区受压（高温屈服强度低，实际压应力很小），远处 cooler区受拉平衡；冷却时热收缩受约束于低温高强区，热影响区及新沉积道产生纵向拉应力，基板及已沉积层相应出现压应力。后续层沉积时新热循环部分重分布(pre-existing)应力——新层顶部累积更高拉应力，已沉积中下部压应力被部分抵消。约束程度（外部夹具夹紧力、基板刚度）直接调控残余应力幅值：强约束（全固支）致堆积方向两端拉应力可达~500 MPa（引发层端开裂/剥离），释放夹具或去除基板后约束解除，残余应力下降但伴随基板回弹变形增大。模拟采用各向同性硬化与单相属性，若考虑实测各向异性则堆积方向残余应力预期约偏高10%。
4.3.3. Comparison of the simulations with experiments（模拟与实验对比）
行进方向模拟与中子衍射测量结果总体吻合良好，偏差来源于模型理想化假设（理想夹紧、忽略重熔凹陷、平面表面、各向同性硬化）及实验粗大晶粒织构引起的测量不确定度。薄壁厚度方向存在应力梯度（堆积方向更显著），模拟取同等4×4×4 mm3体积平均后与实验对标。
四、讨论与结论翻译（Conclusions）
研究人员得出如下结论：
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构件主要由奥氏体组成，含低于10%的枝晶间δ-铁素体，该含量保障较高韧性并防止凝固开裂。
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AISI 316L在WAAM过程中以优选的FA凝固模式（先δ-铁素体后奥氏体）凝固，降低凝固裂纹敏感性。
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因WAAM周期性热历史，熔池不同位置因凝固动力学差异呈现重复性亚晶粒结构：熔池底/侧近熔合线处为胞状与柱状树枝晶，熔池中部为柱状树枝晶，焊道顶部中心线处为等轴树枝晶。
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WAAM AISI 316L残余应力由材料不均匀热胀冷缩驱动，相变无贡献；最高残余应力出现在行进方向，沿基板底部至最后沉积层呈拉-压-拉分布。
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经校验的数值模型显示，因顶层收缩与下层平衡张力相互作用，薄壁两端堆积方向形成高残余拉应力（约束试样可达~500 MPa），是制造中分层或脱离基板的诱因；壁面中部长向堆积方向应力约为同位置行进方向应力的1/5。
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外部夹具夹紧与基板刚性是WAAM主要约束来源。过高夹紧力或过刚基板会增大堆积方向应力致生产中失效；过低约束虽降应力但增大变形超差风险。应依材料特性与设计要求选取适宜约束水平。
未来工作将研究不同硬化模型及基板与沉积层分设材料属性对残余应力模拟的影响。
