《Acta Materialia》：电子束增材制造修复316L不锈钢的动态性能
2023-03-09 15:18:43
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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增材制造是一项快速发展的技术，它依靠连续的材料沉积来制造或修改具有复杂几何形状的零件。这使得AM非常适合需要少量此类部件或具有特殊性能的应用，例如航空航天和国防部门的原型和新产品开发。使用AM技术修复现有部件避免了许多突出的痛点(如低生产量和高启动成本)，并引入了几个关键优势(如材料类型和修复形状的多功能性)。此外，与传统的修复方法(如弧焊)相比，一些AM技术在集成传感和控制方面和较低的热输入方面具有优势，从而导致较小的热影响区。虽然，增材制造有可能用于高价值零件的修复，但这种修复零件的强度和完整性（特别是在动态载荷下）仍然未知。来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的学者介绍了电子束增材制造修复316L不锈钢的动态性能。其中，316L样品被故意损坏，随后用308L不锈钢丝通过电子束添加剂制造进行修复。对修复后的样品进行气枪冲击试验，以诱导早期损伤，并确定修复区域在指示损伤和失效中所起的作用。结果表明：1)修复区的状态方程与原始材料相似，表现为层裂平面位置不变；2)变形行为与原始材料相似，表现为相似的Hugoniot弹性极限；3)修复区的层裂强度因晶粒度不同而略高于原始材料；4)修复区的损伤形态不同，空洞聚结率较高。尽管层裂强度和损伤形态上有这些微小的差异，但原始材料和修复后的样品的整体动态响应相似，这表明AM是修复高价值部件的一种有前途的方法。相关文章以“Dynamic properties of 316l stainless steel repaired using electron beam additive manufacturing”标题发表在Acta Materialia。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118636
图1.样品制备过程：a)人工损伤锻造316L不锈钢试件的示意图和按比例绘制的深度为d的铣槽试件。b)电子束附加制造修复工艺，采用送丝308L修复材料和EBAM修复后的板材照片。c)机加工样品以不同的颜色显示修复区域，以保证修复区域的清晰度，横断面图中显示锥度，虚拟TX虚拟厚度TT如图所示；样品放置在靶架组件中并进行抛光，以确保平坦度和平行面。
图2.原始锻造316L不锈钢和电子束添加剂制造的线材308L不锈钢材料的表征：电子背散射衍射显微照片显示了修复(上行)和锻造(下行)材料中的晶粒度和取向(右列)和相组成(左列)。
图3. 增材制造(AM)修复区域的动态强度与原始锻造区域(WR)对比：由于修复深度的不同，样品A和B在原始材料(橙色背景)中发生内部损伤，样品E和F在AM修复材料中发生损伤(绿色背景)，样品C和D的损伤扩散到两个区域(渐变背景)。层裂强度用星形(左垂直轴)表示，Hugoniot弹性极限(HEL)用圆(右垂直轴)表示。与锻造材料相比，修复区域显示出更高的层裂强度。
图4.光学显微镜图像：每个试件的顶面为冲击面，原始锻造材料颜色较浅，修复区域较暗，呈现鳞片状图案。在每个样品的中心有明显的层裂平面，右边的图表显示了矩形框所示区域在垂直方向上的净损伤。
图5.原始锻造材料(左)和AM修复材料(右)中发生的早期层裂损伤的电子背散射衍射图。
图6.与AM修复材料相比，原始锻造材料中空洞的形成是由于锻造材料中的大量晶界充当许多较小圆形空洞的形核位置，而AM材料中缺乏晶界会导致晶内空洞生长和通过晶粒合并。本研究制备了一系列316L不锈钢样品，加工区域的人工损伤深度从0.0-2.0 mm不等，然后用送丝电子束添加剂制造进行修复。修复后的样品用气枪发射的飞片受到高应变率的冲击，并用光子多普勒测速仪测量样品的速度。根据本研究的结果，这项工作中使用的EBAM技术是进行修复的一个有前途的选择。未来的研究工作可能集中在替代的工艺参数或修复后处理，以实现更均匀的颗粒结构，并更好地匹配修复的行为与原始材料。
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