电弧熔丝增材制造321不锈钢成形工艺及组织性能研究
摘要
电弧熔丝增材制造（Wireandarcadditivemanufacturing,WAAM）是一种通过程序控
制进行金属材料逐层沉积的先进制造技术，可以在较短的时间内高精度地生产复杂形状
的零件，减少传统机加工的复杂工序，越来越受到工业制造领域的关注。由于在WAAM
制件成形过程中具有高温梯度、高冷却速率和再热处理效应，这会使制件的组织粗大且
分布不均匀，造成力学性能较差和各向异性等问题。因此本文首先进行电弧熔丝增材制
造基础成形工艺的研究，然后对WAAM多道多层制件的微观组织及力学性能特征进行
表征分析，针对WAAM制件的组织不均匀和力学性能各向异性问题，通过在制件成形
过程中进行层间超声冲击处理，对制件的微观组织和力学性能进行改善。
针对电弧熔丝增材制造多道多层的成形特点，研究了成形工艺参数对单道单层以及
单层多道成形质量的影响。研究发现：纯Ar保护气体中添加一定比例的CO，会使焊
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缝液态金属流动性增加，提高焊缝的成形质量，但过量的CO2浓度会导致表面氧化，
2.5%CO+97.5%Ar混合气体为较优选择。相比CMT，CMT+P电弧模式焊接热输入更
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高，单道焊缝的铺展性更好，具有更大的宽高比和更小的接触角，更利于增材制造的多
道搭接成形。单层多道制件的表面平整度随着道间搭接率的增加，呈现出先增加再减小
的趋势，在搭接率为40%时平整度最佳；而单道焊缝的宽高比越大，单层多道表面平整
度越好。
通过对多道多层块体制件的不同截面进行金相和SEM观察后发现：制件整体微观
组织主要由奥氏体和不同形貌的δ铁素体组成，还存在少量的Cr23C6析出相。制件中存
在典型的外延生长奥氏体柱状晶，并且其生长方向平行于成形方向（Z）。随着制件成形
过程中由底部至上部的冷却速度不断降低，其组织随之变得粗大，由细小的胞状枝晶变
为有明显生长方向的粗大奥氏体柱状晶，二次枝晶臂间距由7.3μm增加至15.2μm，冷
却速度的降低使铁素体含量由6.61%减小至5.18%。制件整体组织分布不均匀也导致了
其显微硬度由底部（215.6HV0.5）至上部（204.1HV0.5）有降低的趋势。
对多道多层制件沿不同方向进行拉伸和冲击测试，发现其拉伸和冲击性能沿水平方
向（X和Y方向）和成形方向（Z方向）均存在各向异性。对于拉伸性能，沿制件Y方
向的抗拉强度和屈服强度比Z方向分别高82.5MPa和61.7MPa，而断后延伸率低7%；
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对于冲击性能，Z方向的冲击韧性比X和Y方向分别高30.34J/cm和23.27J/cm；拉
伸和冲击断口中均分布着大量的韧窝，其断裂形式均为韧性断裂。
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
对超声冲击和未超声冲击的多道多层制件的微观结构进行表征分析，结果表明：制
件在进行层间超声冲击处理后会在后续沉积层的热效应下发生再结晶，使晶粒得到细化，
平均晶粒尺寸由358.6μm减小至173.8μm，平均晶粒长宽比由3.14降低至1.93；再结
晶引起的晶粒细化阻断了柱状晶的外延生长，使沿成形方向取向集中的粗大柱状晶转变
为取向随机的等轴状晶粒，超声冲击后沿成形方向集中的100织构被削弱，织构取向
较为随机，最大织构强度由21.88降低至7.83，制件微观组织的均匀性得到提升。超声
冲击处理后制件的晶粒细化和组织均匀化使其力学性能有所提升，并改善了其各向异性。
关键词：电弧熔丝增材制造；超声冲击；组织性能；成形工艺
电弧熔丝增材制造321不锈钢成形工艺及组织性能研究
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