超声冲击辅助电弧熔丝321不锈钢组织演变和再结晶行为研究
摘要
电弧熔丝增材制造（Wireandarcadditivemanufacturing，WAAM）是一种新兴的三
维材料制备技术，以沉积效率高、成本低、材料利用率高等优点受到各方关注。然而
WAAM在沉积时经历了多次热循环，这通常会使材料内部出现粗大柱状晶、残余应力
过高等问题，严重影响了电弧增材制造的应用及发展。超声冲击技术是一种表面处理技
术，通过高频高速的超声波冲击，诱导材料表面发生塑性变形，粗大晶粒被打碎，并引
入有益的压应力，达到改善材料组织和性能的目的。通过在WAAM过程中引入超声冲
击处理，利用超声冲击带来的塑性变形和电弧熔丝增材制造多层沉积时的热效应，将两
种技术结合起来实现微观结构的改变，使原来的粗大柱状晶发生再结晶，向等轴晶转变，
从而达到细化晶粒的目的。近年来，超声冲击辅助电弧熔丝增材制造中的再结晶行为已
成为当前研究的热点之一。本文采用电弧熔丝增材制造技术制备321不锈钢沉积层，选
择成形良好的沉积层进行不同参数超声冲击处理。通过对比不同参数超声冲击后沉积层
的微观表征和性能测试结果，探究超声冲击不同参数对沉积层组织和性能的影响，以此
优化超声冲击和电弧增材复合工艺。通过高温原位试验和EBSD测试，研究不同参数超
声冲击对组织演变和再结晶的影响规律，并探究超声冲击促进沉积层发生再结晶的作用
机理，为超声冲击复合电弧熔丝增材制造技术的推广做贡献。主要研究成果如下：
为了探究超声冲击对电弧熔丝321不锈钢沉积层的影响，通过不同参数（超声功率
/外加载荷/冲击时间）的超声冲击对沉积层进行后处理。利用金相观察和显微硬度测试
对超声冲击处理后的沉积层进行评估，结果表明，超声冲击后沉积层顶部组织由等轴胞
状组织变为流变组织，随着超声冲击三个参数的增大，塑性变形层深度增大，沉积层表
层硬度也增大。超声冲击的作用效果随着距表面距离的增加而递减，塑性变形程度、硬
度的作用深度印证了这一观点。对超声冲击前后沉积层进行EBSD测试发现，超声冲击
后沉积层KAM值增加，应变增加；超声冲击后沉积层亚晶界和小角度晶界增加。
为了探究超声冲击辅助电弧熔丝321不锈钢在多层沉积时的组织演变和再结晶过程，
以超声冲击后沉积层为试样，采用高温激光共聚焦显微镜模拟电弧熔丝321不锈钢多层
沉积时的热作用，对其组织演变和再结晶过程进行动态高温原位观察，并结合EBSD测
试探究超声冲击后沉积层在加热下发生再结晶的作用机理。试验发现，变温原位组织观
察时，超声冲击的三个参数越大，晶粒细化效果越明显。且超声冲击三个参数晶粒细化
效果的大小关系为：冲击时间＞外加载荷＞超声功率；恒温原位组织观察时发现，在不
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
同保温温度下超声冲击试样的原始晶粒附近均有大量细小再结晶晶粒生成，相比于变温
试验，再结晶晶粒更多，组织演变更完全，而无超声冲击试样保温后部分晶粒相比于变
温试验时再次长大。相比于无超声冲击保温状态的沉积层试样，超声冲击+保温沉积层
试样形成更多的再结晶晶粒，晶粒细化效果更好。此外高温原位动态观察结果证明了超
声冲击辅助电弧增材制造发生再结晶的形核机制为晶界弓出形核。
对比超声冲击前后沉积层、超声冲击+加热沉积层试样的EBSD测试结果发现，超
声冲击增加了亚结构（亚晶界和小角度晶界）的含量，在加热条件下这些亚结构发生再
结晶转变，形成新的大角度再结晶晶粒，沉积层平均晶粒尺寸减小。通过对超声冲击辅
助电弧熔丝321不锈钢沉积层再结晶进行定量分析，采用Avrami方程建立了再结晶动
力学模型，获得了再结晶激活能Q=303836.5J/mol。
关键词：电弧熔丝增材制造；超声冲击；321不锈钢；组织演变；再结晶
超声冲击辅助电弧熔丝321不锈钢组织演变和再结晶行为研究
Abstract
Wireandarcadditivemanufacturing(WAAM)isanovelthree-dimensionalmaterial
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