《Materials Science and Engineering: A》：Impact of active cooling and CTWD on phase stability and fracture behavior of WAAM-fabricated maraging steel 250
编辑推荐：
为探究近浸没主动冷却（NIAC）辅助电弧增材制造（WAAM）沉积参数对相稳定性和力学行为的影响，研究人员在受控沉积条件下制备了马氏体时效250钢预制件。WAAM过程中保持恒定层间时间，同时改变焊接电流和接触嘴到工件距离（CTWD）以调整局部热冶金条件。微观结构
为探究近浸没主动冷却（NIAC）辅助电弧增材制造（WAAM）沉积参数对相稳定性和力学行为的影响，研究人员在受控沉积条件下制备了马氏体时效250钢预制件。WAAM过程中保持恒定层间时间，同时改变焊接电流和接触嘴到工件距离（CTWD）以调整局部热冶金条件。微观结构表征采用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修进行。力学行为通过拉伸试验、维氏显微硬度测试、X射线衍射残余应力分析和裂纹尖端张开位移（CTOD）测试进行评估。两种沉积条件在沉积态下均呈现以马氏体为主的基体，伴有残余残留奥氏体和Fe-Mo富集金属间相（被指认为σ型相）。采用较高电流和较短CTWD的条件表现出更高比例的Fe-Mo富集二次相和增强的晶体学畸变，表明在NIAC辅助加工下相演变对沉积条件高度敏感。从力学角度看，两种条件均表现出高强度和中等的延展性，其硬度和通过CTOD评估的断裂抗力在统计学上相当。残余应力测量显示两种条件下均存在压应力，较低电流条件下压应力幅值更高。总体而言，结果表明在NIAC辅助WAAM下选择沉积参数显著影响马氏体时效250钢的相组成、局部微观结构非均匀性、残余应力状态及力学响应。
论文解读：《近浸没主动冷却辅助WAAM制备马氏体时效钢250的相稳定性与断裂行为》
研究背景与意义
电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）凭借高沉积率和低成本优势，成为中大型复杂金属构件的重要制备技术。然而，其固有的高热输入易导致构件内部热量累积，引起晶粒粗化、微观组织不均匀及残余应力集中，严重制约了其在航空航天等对性能要求苛刻领域的应用。马氏体时效钢250（Maraging Steel 250）作为一种兼具超高强度、良好韧性和优异焊接性的特种钢，是WAAM技术的理想应用对象，但其沉积过程中的反复热循环极易导致元素偏析、残留奥氏体稳定性变化及脆性金属间化合物析出，进而影响构件的强韧性匹配。针对这一难题，近浸没主动冷却（Near-Immersion Active Cooling, NIAC）技术被引入以精准控制层间温度，减少热累积。本研究聚焦于NIAC环境下，关键工艺参数——接触嘴到工件距离（Contact Tip-to-Work Distance, CTWD）对马氏体时效钢250沉积态微观组织演变、相稳定性及最终力学性能的具体影响机制，对于优化WAAM工艺、提升高性能金属构件质量具有重要的科学与工程意义。该论文发表在国际材料科学领域知名期刊《Materials Science and Engineering: A》上。
关键技术方法
研究人员选用直径1.2 mm的马氏体时效钢250焊丝，在ASTM A36钢基板上进行WAAM实验。实验采用脉冲气体保护金属弧焊（GMAW）系统，并集成NIAC装置。研究设置了两种沉积条件：条件M1（低电流160 A，长CTWD 22 mm）和条件M2（高电流196 A，短CTWD 12 mm），两者电压均保持20 V，层间时间固定为16秒。为全面表征材料特性，采用了多尺度分析技术：通过光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察熔化区形貌与组织特征；利用电子背散射衍射（EBSD）分析晶体取向、晶界特征及几何必需位错（GND）密度；借助透射电子显微镜（TEM）及其附带的能谱仪（EDS）在纳米尺度解析析出相成分；采用X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修进行物相定量。力学性能测试则包括沿构建方向（BD）的拉伸试验、维氏显微硬度测试、基于sin2ψ法的XRD残余应力测试，以及依据ISO 12135标准进行的裂纹尖端张开位移（CTOD）断裂韧性测试。
研究结果
3.1 相分析
XRD与Rietveld精修结果显示，两种条件下沉积态试样均以马氏体（α′）为基体，含有微量残留奥氏体（γ）和Fe-Mo富集的金属间相（σ相）。定量分析表明，随着沉积高度增加，M1条件的马氏体比例由底部的86.16%增至顶部的94.26%，而σ相则从13.47%降至5.73%。相比之下，M2条件在整个高度上均维持了更高的σ相含量（底部高达17.36%，中部和顶部分别为10.47%和10.86%），马氏体比例相应较低。这表明提高电流、缩短CTWD会促进热输入增加，导致Mo等元素偏聚加剧，从而稳定了更多的Fe-Mo金属间化合物。
3.2 沉积态材料的微观结构
OM和SEM图像揭示了典型的WAAM分层特征，包括熔池边界、重熔区以及从胞状到柱状的组织转变。EBSD相图进一步确认了BCC结构的马氏体基体与少量FCC残留奥氏体的共存。TEM观察到了高密度位错缠结的板条马氏体基体，并在其中发现了纳米级析出物。通过FFT/SAED衍射花样及EDS面扫分析，证实这些析出物为Mo富集的Fe-Mo金属间相，且未检测到典型的NiTi或Ni?Ti强化相。晶体学分析显示，M2条件展现出更高的GND密度和晶粒取向扩展（GOS），意味着其经历了更剧烈的晶体学畸变和更复杂的塑性变形历史。
3.3 力学性能
3.3.1 拉伸行为
M1条件的屈服强度（YS）约为1126 MPa，极限抗拉强度（UTS）约为1167 MPa，总延伸率约30%。M2条件强度略有提升，YS达1174 MPa，UTS达1202 MPa，而延伸率与M1相当。这表明虽然M2条件下产生了更多硬脆σ相并增加了位错密度，但并未显著损害材料的宏观塑性。
3.3.2 硬度测试
M1的平均硬度约为388 HV，M2约为393 HV。尽管M2的平均值稍高且数据分散度更大，但单因素方差分析（ANOVA）表明两组数据的差异在统计学上并不显著（p=0.49），说明硬度对工艺参数变化的敏感性低于相组成。
3.3.3 断裂韧性与裂纹扩展行为
CTOD测试显示，M1的最大载荷平均为10.45±1.53 kN，塑性位移Vp为0.34±0.16 mm；M2的最大载荷为10.42±0.29 kN，Vp为0.30±0.03 mm。M2的数据离散度更小，表现出更稳定的断裂响应。SEM断口分析显示，两种条件均呈现大量细小韧窝，为典型的微孔聚集型延性断裂，未见明显解理或沿晶脆性断裂特征，证明尽管存在σ相，材料仍保持良好的韧性。
3.3.4 残余应力
XRD应力测试表明，两种条件在构建方向均存在压应力。M1的压应力幅值更高（-291.7±21.0 MPa），而M2的压应力幅值较低（-156.5±24.0 MPa）。这可能与不同热输入导致的相变体积效应、热收缩约束及位错结构差异有关。
讨论与结论总结
讨论部分深入阐释了工艺-组织-性能的关联机制。NIAC虽能有效散热，但无法完全消除WAAM定向凝固的特性。高电流、短CTWD的M2条件引入了更大的能量密度，加剧了Mo元素的非平衡偏析，促使更多Fe-Mo σ相在原位析出。这些硬脆相与基体间的应变不协调性及较高的GND密度共同导致了M2略高的强度和显著的晶体学畸变。然而，由于残留奥氏体含量极低，未能发挥相变增韧作用，其断裂行为主要由马氏体基体的延性撕裂主导。残余应力的差异则反映了不同热循环下内部应力状态的重新分布。
结论部分翻译：
本研究评估了NIAC辅助WAAM中沉积参数变化对沉积态马氏体时效钢250组织演变与力学行为的影响，得出以下结论：1. 两种沉积条件均形成以马氏体为主的基体，沉积态组织中仅检测到微量残留奥氏体和Fe-Mo富集二次相；2. 提高焊接电流并减小CTWD促进了更多被指认为σ型相的Fe-Mo富集金属间化合物的形成，表明所选沉积条件即使在无沉积后时效处理的情况下也显著影响了相演变；3. 沉积材料呈现出胞状与柱状共存的非均匀组织，并伴有晶体学取向和内晶格畸变的差异，高电流条件显示出增加的GND密度和更高程度的晶体学变形；4. 两种工艺条件在沉积态下均表现出高强度与中等延展性的结合，尽管高电流条件显示出轻微的拉伸强度提升，但通过CTOD评估的硬度和断裂抗力在统计学上相当；5. 两种条件下均检测到压残余应力，较低电流条件下的压应力幅值更高，这表明沉积参数同样影响了局部残余应力状态。综上所述，研究结果表明，在NIAC辅助WAAM下调整沉积参数会改变相组成、微观结构非均匀性及残余应力演变，从而导致马氏体时效钢250沉积态力学响应的可测量变化。
