308L不锈钢部件线和电弧增材制造工艺及材料性能研究

工程科学与技术，国际期刊24（2021）1015全文文章308L不锈钢部件的丝材和电弧增材制造：工艺参数和材料性能Van Thao Lea，Dinh Si Maia，Tat Khoa Doanb，Henri Parisca越南河内Le Quy Don技术大学先进技术中心b越南河内黎贵敦技术大学机械工程系c Grenoble Alpes，CNRS，Grenoble INP，G-SCOP，F-38000 Grenoble，France阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年12月11日修订2021年1月11日接受在线预订2021年保留字：308L不锈钢线弧增材显微组织力学性能A B S T R A C T在当前的研究中，报告了薄壁308L不锈钢部件的线和电弧增材制造（WAAM）。首先，研究了WAAM过程中焊接电流、焊接电压和焊接速度对单个焊缝几何形状这些参数也被其次，研究了WAAM308L钢墙体的显微组织和力学性能.得到的结果表明，优化的参数给出了理想的几何形状的单焊缝建筑308L墙WAAM过程。WAAM308L钢的组织主要为奥氏体枝晶垂直生长和奥氏体基体晶界残留铁素体。构建材料的显微硬度约为163HV0.1。WAAM 308 L壁的UTS、YS和伸长率分别为532- 553 MPa、344-353 MPa和40- 54%，这与锻造308L不 锈钢 （UTS ： 530-650 MPa、 YS ： 360-480 MPa和 伸长 率： 35-45% ） 的 UTS、 YS和 伸长 率因 此，WAAM 308L钢壁的机械性能被认为是足够的工业应用。©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍增材制造（AM）技术，其使用电弧来熔化金属丝，也称为丝弧增材制造（WAAM），被广泛用于生产大尺寸金属部件。WAAM工艺表现出显著高的沉积速率，与粉末珠或进料AM系统的0.1-0.6 kg/h相比，约为3金属丝的使用对操作者的健康和环境比金属粉末更安全。此外，金属丝的生产比金属粉末便宜，从而降低了总生产成本[2]。在WAAM工艺中，电弧可以是GMAW（气体保护金属极电弧焊）、PAW（等离子弧 焊 ） 和GTAW （ 气 体 保 护钨 极 电 弧 焊 ） [3] 。 在 这 些 技术 中 ，GMAWAM呈现出最高的沉积速率，比GTAWAM和PAWAM高约两到三倍。因此，它更适合制造大尺寸的金属部件[4]。最近，大多数已发表的研究集中在探索外部和内部质量的组成部分，*通讯作者。电子邮件地址：thaomta@gmail.com（V.T. Le）。由Karabuk大学负责进行同行审查钛、铝和镍基合金的WAAM[5对于钢，以前的研究大多使用304，304L和316L钢（即奥氏体不锈钢）和低碳钢作为原料。Rafieazad等人[9]探索了通过GMAWAM工艺制造的多焊道多层低碳钢壁的微观结构和机械特性，而Le[10]和Lu等人[11]使用GMAWAM系统构建单焊道多层薄壁低碳钢组件。这些作者观察到，GMA-WAM低碳钢墙体的显微组织沿建筑方向逐层变化。显微组织为粒状铁素体+残余奥氏体的粒状组织，晶界有少量的位错Haden等人[12] 进 行 了 一 项 研 究 ， 其 中 使 用 了 GMAWAM 系 统用 低 碳 钢（ER70S）和304钢建造薄壁。他们证明了GMA-WAM低碳钢和304钢的拉伸强度分别与锻造低碳钢和304钢的拉伸强度在相同的值范围内。陈等人[13]探索了GMAWAM 316L壁的微观结构。作者观察到GMAWAM 316 L壁的显微组织由奥氏体枝晶和残余铁素体和σ相组成，它们存在于奥氏体基体中。奥氏体枝晶形成沿铸造方向生长的大柱状晶。Wang等人[14]也说明了相关性。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.01.0092215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchVan Thao Le，Dinh Si Mai，Tat Khoa Doan等.工程科学与技术，国际期刊24（2021）1015-10261016××××研究了316L钢WAAM工艺中电弧方式、显微组织和力学性能之间的关系。这些作者强调，具有较低热输入的电弧模式在底层和上层两者中产生更精细的微观结构。 Wu等人[4]比较了通过两种焊接电流工艺沉积的GMAWAM 316 L壁的微观结构和拉伸性能。他们发现，较高的焊接电流会导致较高的热输入，产生较粗糙的结构，并影响建筑材料的硬度。Gao等人[15]研究了通过WAAM工艺构建的9 Cr铁素体/马氏体钢壁的显微组织变化，其中使用CMT焊接。作者发现，壁的微观结构随区域而变化。底部区域的晶粒尺寸小于壁的中部和顶部区域。显微组织的各向异性是造成钢的硬度和抗拉强度在水平方向和垂直方向上存在差异的主要原因之一。据作者所知，观察WAAM 308L组件微观结构和机械特性的研究非常有限。308L钢是一种奥氏体不锈钢，其特点是碳含量低，机械性能高，耐腐蚀性强。它的应用可以在不同的行业中找到，例如天然气，石油，制造业和采矿业，轮船制造业和汽车工业。某些先前的研究使用308LSi和308L钢作为GTAWAM、层流等离子体AM和激光金属沉积中的原料材料。例如，Yilmaz和Ugla[16]报道了加工参数（包括行进速度和送丝速度）对GTAWAM 308LSi壁的微观结构的影响。他们观察到，行进速度显著影响残余铁素体的织构和晶粒尺寸，并且送丝速度具有显著影响对晶粒的细化。该研究为GTAWAM 308LSi管壁的微观结构演化提供了一个很好的视角。然而，没有研究GTAWAM 308LSi的硬度和拉伸强度。Abioye等人[17]使用激光金属线沉积工艺构建单线多层308 LSi壁。作者发现308LSi的壁组织为柱状枝晶，沿成型方向垂直生长。最近，Li等人[18]采用基于层流等离子体和金属丝的沉积工艺来制造具有四个直壁的中空部件。随后，微观结构和拉伸强度的壁的演变进行了研究。这些作者还观察到，壁的底部和中部主要由柱状枝晶组成，而等轴组织出现在顶部区域。最近，Laghi et al.[19，20]还采用ER308LSi不锈钢作为WAAM中的线材原料。他们的项目专注于在土木工程领域使用WAAM建造308LSi不锈钢结构部件。Le等人[21]研究了不同冷却方法对WAAM制造的不锈钢308L壁的形状和材料性能的影响。总的来说，表面外观和冶金特性-GMAWAM 308L管壁的损伤在文献中报道较少。此外，以前发表的研究通常使用一组工艺参数，这些参数是从线材制造商建议的值范围和/或在多次运行后选择的。因此，还应考虑工艺参数的优化，这将为薄壁部件的构建提供理想的焊缝几何形状和质量。综上所述，本研究的重点是探索GMAWAM 308L壁的工艺稳定性，微观结构和机械特性。第一阶段采用响应曲面法（RSM）和方差分析法（ANOVA）研究了焊接电流、焊接速度和焊接电压等主要工艺参数对单个焊缝成形和质量的影响。 并对一组优化的工艺参数进行了优化确定用于建造308L钢墙。在第二阶段，研究了采用优化工艺参数制备的GMA-WAM 308 L钢壁的显微组织、显微硬度和拉伸性能。本阶段的研究结果为推广GMAWAM 308L不锈钢零件的工业应用提供了重要依据。2. 实验程序在GMAWAM工艺中使用具有1mm直径的308L钢的商业线材和多个SS400钢板（宽度、长度和厚度分别为150 mm 250 mm 10 mm）。金属丝和基底的化学元素在表1中给出。GMA-WAM工艺中的焊接热源是松下（YD-350 GR 3）电源。该GMAWAM系统根据焊接电流自动调整送丝速度。焊丝进给速度随着焊接电流的增加而增加。焊枪沿熔敷路径的运动由Panasonic TA1400 6轴机器人执行。在焊接过程中，施加99.99%的氩气用于保护。保护气体流量沉积完成后，通过自然空气将样品冷却至室温。由于焊道的几何形状和质量对于通过WAAM工艺[22]构建薄壁部件非常重要，因此第一阶段旨在探索主要工艺参数（包括焊接电流、行进速度和电压）对焊道几何形状的影响在这项研究中，珠的高度和珠的宽度作为函数的工艺参数，ING从实验数据进行预测为此，使用了响 应面 方法 （ RSM ） 和方 差分 析（ ANOVA ） [23] 采用 Box-Behnken法设计实验方案如表2所示，为每个因子选择了三个水平。每个参数的工作极限是根据金属丝制造商的建议选择的这些值也通过多次试运行进行了验证表3示出了单焊道的十七次试运行。每个焊道的长度约为120mm。焊道的焊道高度（BH，mm）和焊道宽度（BW，mm）通过使用数字卡尺在焊道稳定区域的五个位置处测量（图1然后取BW和BH的平均值，如表3所示。在第二阶段中，为了观察GMAWAM 308L壁的工艺稳定性、微观结构和力学特性，利用第一阶段获得的优化工艺参数构建了两个单珠多层壁。根据交替方向策略沉积壁，相邻层之间的停留时间为40 s[26]。停留时间用于冷却部件并将累积的热量传递到环境中。焊炬的接触尖端与工件之间的距离约为12 mm。图2显示了两个GMAWAM 308L壁构建优化的工艺参数。第一壁（图2a）的长度和高度分别为约115 mm × 102 mm，制备了三个显微组织测试样品（MST、MSM和MSB）、一个化学成分测试样品（CS）和三个在建造方向上的垂直拉伸测试样品（vTS-1、vTS-2和vTS-3）。 第二堵墙，尺寸115 mm × 59 mm（图2b）用于制备三个水平拉伸试样（hTS-1、hTS-2和hTS-2），Van Thao Le，Dinh Si Mai，Tat Khoa Doan等.工程科学与技术，国际期刊24（2021）1015-10261017我表1308L钢丝和低碳钢（SS400）基体的化学成分元件CPSCRNi莫CuSiMNAlFe金属线（308L）[24]0.03最大值0.03最大值0.03最大值19.5-219.0-11.0最大0.500.75最大值0.30-0.651.0-2.5–平衡基板（SS400）[25]0.050.0130.002––––0.0370.460.044平衡表2三个级别的加工参数。参数水平焊接电流，I（A）100120140Voltage，V172023行程速度v（mm/min）300400500方向注意到，首先去除壁的两个侧表面，然后通过使用线切割EDM机器提取所有样本。的拉伸试样通过SEM机（SU 3500）观察。3. 结果和讨论3.1. 建立预测模型在这项研究中，二阶回归方程被选择来建立珠宽和珠高的预测模型，Eq。（一）：3 3 3GMAWAM 308L钢壁的化学成分是使用Thermo Scientific光谱仪（ARL3460 OES）分析y¼c0Xci xiXcii x2Xcij xi xj在测试之前，该试样CS被抛光和清洁。三1/11/1i;j¼1;i进行测试，最终结果（以百分比表示）是每种元素的平均值，如表4所示。注意到GMAWAM 308L壁的主要元素的百分比与制造商的308L线的百分比在相同范围内（表1）。为了观察显微组织，对三种试样（MST、MSM和MSB）的横截面对应的表面进行了观察，（P）的墙壁上安装和地面上的一系列碳化硅纸。随后，用2.5 μ m颗粒的金刚石抛光剂抛光它们，并使用溶液（10 mL HNO3，20 mL HCl和30 mL水），10 s。通过光学显微镜（AXIO A2M）探索GMAWAM 308L壁的微观结构。GMA-WAM 308 L壁的显微硬度通过维氏显微硬度计（Struers的Duramin 2）根据标准ASTM E384测量。对于每个硬度测试，施加980.7 mN的载荷和10 s的停留时间。对于每个试样，在分布在横截面中心线上的五个位置处测量显微硬度。一个位置的显微硬度是三个不同压痕的平均值。两个相邻凹口之间的间距为1mm。使用拉伸试验机（FU/R DVT-DEVOTRANS）在室温下进行拉伸试验。十字头的速度为20 mm/min。断口形貌其中y是响应-即，BW（mm）和BH（mm）;xi和xi是输入变量，即焊接电流I（A）、电压U（V）和行进速度v（mm/min））;c0、ci、ci和cij是系数。发达国家的模式。在目前的工作中，通过使用Minitab 19软件来估计系数。焊道宽度和焊道高度的完整预测模型描述于等式2中。（2）和（3），分别为：BW（mm）= -16.190 +0.143×I+ 1.027×U + 0.508×10-3×v 0： 375× 10-3×I×U- 0： 016× 10-3×I×v-0： 263× 10-3×U×- 0： 567× 10-3×I2- 0： 018×U2× 3：67 × 10-6 ×v2ð2ÞBH（mm）= 7.575 + 0.085×I- 0.623×U-0.014 ×v电话：0531-8888888传真：0531- 8888888×10- 3×U×v- 0： 292× 10-3×I2× 0： 013×U2× 5： 223×10-6×v2ð3Þ采用方差分析评价预测模型的适用性。以5%的显著性水平和95%的置信水平进行方差分析表5示出了用于本发明的实施例的ANOVA结果。表3实验设计和实测数据。运行输入变量响应I（A）U（V）V（mm/min）BW（mm）BH（mm）1100174003.793.012140174004.033.983100234005.082.494140234005.413.465100203004.963.296140203005.424.227100205004.192.028140205004.533.149120173004.314.2110120233006.023.6611120175003.813.1212120235005.212.6213120204004.973.1714120204005.003.2815120204004.973.3016120204004.873.2217120204005.013.20Van Thao Le，Dinh Si Mai，Tat Khoa Doan等.工程科学与技术，国际期刊24（2021）1015-10261018×Fig. 1. 根据实验设计矩阵（表3）进行的单层焊接的图像。图2. GMAWAM薄壁样品：（a）用于制备三个微观结构试样（MST、MSM和MSB）、一个化学成分试样（CS）和三个垂直拉伸试样（vTS-1、2和3）的壁，（b）用于制备三个水平拉伸试样（hTS-1、2和3）的壁，以及（c）拉伸试样尺寸。表4GMAWAM建造的308L钢墙的化学成分元件CPSCRNi莫CuSiMNAlFeGMAWAM 308L钢墙0.0210.0280.01919.869.840.00960.0760.481.70–平衡表5回归模型的ANOVA结果。胎圈宽度（BW）胎圈高度（BH）贡献F值p值贡献F值p值模型99.01% 78.06 0.0001 99.62% 200.86 0.00012019 - 01 -27 00：00：00U70.18% 497.94 0.0001 10.62% 192.51 0.0001v18.54% 131.56 0.0001 48.21% 875.13 0.0001单位：千元/平方米0.03% 0.2416 0.6381 0.00% 0.0003 0.98560.07% 0.4736 0.5135 0.19% 3.24 0.1149U0.42%2.980.12800.02%第二类3.89% 25.84 0.0014 0.95% 20.05 0.0029U21.85% 13.40 0.0081 1.15% 19.74 0.00302019 - 06 - 29 00：00：0000：000.9961Adj. 20.97740.9912兰特Pred. 0.9706Van Thao Le，Dinh Si Mai，Tat Khoa Doan等.工程科学与技术，国际期刊24（2021）1015-10261019≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤×2 ××焊道宽度和焊道高度的回归模型。用决定系数R2、R3、R4、R5、R2“和"Pred. R2“。小于0.05的p值表示所开发模型的显著项，而大于0.05的p值表示所开发模型的不显著项在胎圈宽度和胎圈高度模型中，术语（I，U，v，P值小于0.05的项（I 2和U 2）为显著模型项，U，Iv，vU），p值优于0.05是微不足道的。焊缝宽度的R值和珠高模型分别为0.9901和0.9961，表明预测值和实验值之间有良好的关系。胎圈宽度和胎圈高度模型中的“因此，焊道宽度和焊道高度在整个设计空间内得到验证，并可用于预测优化的工艺参数。3.2. 工艺参数对焊缝几何形状的影响图图3a揭示了工艺参数对焊道宽度（BW）的主要影响。结果发现，电压和旅行速度揭示相反的影响上的珠宽度。当电压从17 V增加到23 V时，焊道宽度增加，而当移动速度从300 mm/min增加到500 mm/min时，焊道宽度减小此外，当焊接电流增加到大约120 A时，焊道宽度逐渐增加在这些工艺参数中，电压对焊缝宽度的影响最大，贡献率为70.18%，其次是图3.第三章。加工参数对焊道宽度（a）和焊道高度（b）的主要影响行程速度（18.54%）和电流（3.93%），如表5所示。在珠的高度的情况下（图。 3 b），当焊接电流从100 A增加到140 A时，焊道高度增加。相反，当电压和行程速度增加时，焊道高度减小。行进速度对焊道高度的影响最大，占48.21%，其次是焊接电流（38.27%）和电压（10.26%），见表5。图4a-c结果表明，对于所有焊接电流和移动速度值，焊道宽度都随着电压的增加而增加（图4a和c）。对于所有电压和焊接电流值，焊道宽度总是随着行进速度的增加而减小（图4b和c）。对于所有的移动速度值，只有当焊接电流增加到120 A和130 A之间的值时，焊缝宽度才增加，然后它开始减小（图4b）。另一方面，对于所有电压值，当焊接电流增加到120 A和130 A之间的值时，焊缝宽度减小，然后开始增加（图4a）。图4对于所有U和v值，当电流增加时，焊道高度增加。另一方面，对于所有I和U值，焊道高度随着行进速度的增加而减小。3.3. 工艺参数优化在GMAWAM工艺中，焊道几何形状和热输入量起着非常重要的作用。通常需要宽度较大且高度变化不大的焊道[22]。这保证了存款的稳定性此外，应尽量减少热输入，以减少建筑墙体的残余应力和变形， 并提高 机械性能 [27] 。通 过下式 确定热输 入： Q= 60gIU/v（J/mm），其中g是热效率系数，对于GMAW，g= 0.8[28]. 因此，优化处理参数的问题表示如下：求[I，U，v]以最大化BW，最大化BH，最小化Q，主题：100我140（A）; 17U23（V）; 300v500(mm/min）。通过使用Minitab 19软件中的优化模块来解决该多目标优化问题最 佳 工 艺 参 数 为 ： I= 122 （ A ） ， U= 20 （ V ） ， v= 368（mm/min）。图5示出了利用这些优化的工艺参数生成的三个单个焊道。它们几乎一模一样。所有焊道连续、光滑、无重大缺陷。测量这些焊道的稳定区域中的焊道高度和焊道宽度的平均值（表6）。这表明，最佳工艺参数允许实现GMAWAM工艺的良好焊道形状和尺寸。然后使用最佳工艺参数来构建两个单珠多层薄壁样品（图1）。（2）本研究的第二阶段。3.4. 零件质量如图1和2所示。如图2和图6所示，GMAWAM 308L墙壁显示出相对规则的高度。 第一道墙（图）第一个壁用56个沉积层构建，因此平均层厚度为约1.82 mm。对于用30个沉积层构建的第二个壁，平均层厚度为约1.96 mm。壁的平均层厚度低于单个珠的珠高度（表6），因为先前的珠的顶部在第一个壁的顶部，因此平均层厚度为约1.82 mm。Van Thao Le，Dinh Si Mai，Tat Khoa Doan等.工程科学与技术，国际期刊24（2021）1015-10261020图第四章工艺参数对焊道宽度（a-c）和焊道高度（d-f）的相互作用图5.采用优化后的工艺参数生产了三个单焊道。沉积层通过热源再熔化和平坦化，这在GMAWAM工艺期间形成后续层壁还揭示了两侧表面上的波状形态表6通过优化工艺参数生产的三个单焊道尺寸。单焊道可选1个选项2个选项3焊珠宽度（mm）4.98 ± 0.14 4.92 ± 0.11 4.95 ± 0.09胎圈高度（mm）3.34 ± 0.05 3.36 ± 0.02 3.32 ± 0.03图7a示出了第二壁的表面外观（图7b）。 2 b）通过非接触式3D数字化仪（KONICA MINOLTA RANGE 7）在侧表面的有效区域获得（图8）。为了评估表面粗糙度，将侧表面的数字化数据（STL文件）转换为点云{pi}，并估计拟合点云{pi}的平面（Q）（图7a）。平面（Q）的方程由方程（1）描述（四）：Van Thao Le，Dinh Si Mai，Tat Khoa Doan等.工程科学与技术，国际期刊24（2021）1015-10261021þþ2×1X10BXNpjaXibYicZidj1Ca2美元b第二次世界大战q2A 5SR<$Npdi<$Np@图6. 图2中的壁（a）和（b）的高度变化是用优化的工艺参数构建的。Q哪里 a，b， c，和d 是的系数的飞机和a2b2c2> 0.一旦获得平面（Q），侧表面的表面粗糙度（SR）通过等式（1）估计（五）：其中，Np是点云{pi}中的点的数量，di是从点pi（Xi，Yi，Zi）到拟合平面（Q）的距离计算区域中的距离（di）的绘图如图所示。 7 c. 壁的表面粗糙度约为0.23毫米。该值与研究[29]中报告的值相似。还测量了第二壁的有效尺寸（图8）：有效长度EL= 96 mm，有效高度EH= 56 mm，有效宽度EW= 3.56 mm。因此，壁材料的有效体积计算为：EV =EL×EH×EW= 19138.56 mm3。总的存款额建筑墙体所需的材料（TV）计算为：TV=L×vw-× （ pd/4 ） /v ， 其 中 L 是 沉 积 物 的 总 长 度 ， 这 里 L=115mm×30 层=3450mm，vw是送丝速度，vw= 2850 mm/min，d是丝直径，d= 1mm，v是行程因 此 ， TV 约 等 于 20974 mm3 ， 并 且 沉 积 效 率 DE=100%EV/TV=91.25%。这表明，采用最佳工艺参数构建的薄壁显示出高沉积效率，与先前研究中报告的沉积效率相当[30]。此外，X射线计算机断层扫描（CT）实验上进行的所有垂直和水平拉伸试样。图第七章GMAWAM壁的侧表面的表面粗糙度计算：（a，b）通过侧表面和拟合平面（Q）的激光扫描获得的点云{pi}，以及（c）从点pi到平面（Q）的距离di的绘图Np1/11/1Van Thao Le，Dinh Si Mai，Tat Khoa Doan等.工程科学与技术，国际期刊24（2021）1015-10261022-× × ××见图8。 显示墙的有效尺寸的示意图。图9.垂直拉伸试样（a）和水平拉伸试样（b）的X射线CT照片。图10.奥氏体不锈钢伪二元相图与凝固模式之间的关系[32]。图9显示了从垂直和水平方向的壁中提取的拉伸试样的典型X射线CT图像。在这些图像中，拉伸试样显示为白色，宏观孔隙和裂纹通常在图像中显示为黑色揭示了在X射线CT图像中没有检测到黑区。这意味着所有拉伸试样不包含任何重大缺陷，例如宏观孔隙和裂纹。换句话说，这堵墙是成功建造的，没有重大缺陷。3.5. 308L钢薄壁构件的显微组织在三个区域中的壁的横截面（即图2a中所示的平面（P））上观察GMAWAM 308L壁的微观结构：顶部区域（样本MST）、中间区域（样本MSM）和底部区域（样本MSB）。GMAWAM 308L管壁的微观结构主要由奥氏体枝晶c和残余铁素体d组成存在于奥氏体基体中（图 11-13）。对于奥氏体不锈钢，凝固模式由Creq/Nieq比确定，其中Creq和Nieq分别为铬和镍当量。Nieq和Creq的百分比由Schaeffler[31]的公式确定：0.5 Mn + 30C和Cr当量 = Cr + 0.5Nb +1.5Si + Mo。基于从化学分析获得的GMAWAM 308 L壁的化学元素（表4），Nieq和Creq的百分比分别为11.32%和20.59%;因此，Creq/Nieq = 1.82。当该值落在1.48-1.95的范围内时奥氏体（FA）模式（图10，[32]）：首先，铁素体d从液相L生成，并作为主相生长。随后，由于快速冷却，奥氏体相长大并逐渐取代初生铁素体. 剩余的铁-在奥氏体的晶界上存在着具有骨架状和板条状形态的铁素体（图1和图2）。 11-13）。GMAWAM 308L的壁面在上、中、下三个区域的热循环、温度梯度和凝固速率不同，其微观结构在尺寸和形貌方面也发生了变化。 图11示出了底部区域（试样MSB）中横截面中心的微观结构。该带以柱状枝晶为主，且枝晶向不同方向生长，晶粒较其他带细。原因是该区域具有最高的冷却速率，因为热量被传递到冷基板[33]。此外，当第一层沉积并固化时，基底成为异质成核和多晶表面，导致树枝晶在不同方向和取向上生长[18]。该区域中的铁素体相显示为板条状和骨架状形态（图1）。 11）。中间区域（样品MSM）的显微组织由柱状枝晶组成（图12），其几乎沿垂直方向生长。此外，在该区域中，层（N1）被形成层N的热量部分地再熔化。因此，还观察到层之间的热影响区（HAZ图11. GMAWAM薄壁308L钢底部区域的显微组织为：柱状枝晶向不同方向生长，残余铁素体存在于晶界处，呈骨骼状和板条状。Van Thao Le，Dinh Si Mai，Tat Khoa Doan等.工程科学与技术，国际期刊24（2021）1015-10261023-图12. GMAWAM薄壁308 L中间区域的显微组织：（a）低倍放大照片，（b）中间区域的典型显微组织，（c）层主体中显微组织的高倍放大，以及（d）层（N-1）和N之间HAZ中显微组织的高倍放大。图13. GMAWAM薄壁308L钢顶部区的显微组织为：奥氏体颗粒状晶粒和残余铁素体存在于奥氏体基体的边界处，呈骨骼状和板条状。（N1）和N，区域②（图12b）。热影响区通常由等轴晶粒组成（图12d），这些晶粒比沉积层主体区①中的晶粒粗（图12c）。因此，GMAWAM 308L壁的中间区域中的特定层的特征在于从底部几乎垂直地生长的较细柱状晶粒然后转变成粗柱状结构如参考文献[14]所述，在层的顶部（即HAZ）具有等轴晶粒。在该区域，残余铁素体相主要以骨架和蠕虫状形态存在。此外，该区域中的晶粒比底部区域中的晶粒更粗。这是由于该区域中的温度梯度和冷却速率低于底部区域中的温度梯度和冷却速率。中间区域中的层沉积在先前沉积的层上，所述先前沉积的层明显比衬底更热。当沉积层增加时，热量也被积累。因此，中间区域具有较慢的冷却速率和较长的凝固生长时间。在顶部区域（试样MSB）中，从横截面中心开始的显微组织由奥氏体的等轴晶粒和存在于奥氏体边界中的具有板条和骨骼形态的残余铁素体相组成（图13）。 13）。与中间区域的显微组织相比，顶部区域的晶粒相对较粗。实际上，最后一层熔池的顶部直接接触自然空气，它被凝固成转向枝晶。另一方面，熔池底部由于外延生长而凝固成柱状枝晶。最终凝固区是层的中心因为Van Thao Le，Dinh Si Mai，Tat Khoa Doan等.工程科学与技术，国际期刊24（2021）1015-10261024温度梯度被抑制，顶层的中心被转移到等轴晶粒[34]。3.6. 力学性能顶部、中部和底部区域的平均显微硬度值分别为155 ± 1.20、163 ±5.36和169 ± 5.67 HV 0.1。此外，在中间区域，热影响区的平均显微硬度比沉积层中心（基体）的平均显微硬度低。该显微硬度变化与第3.5节中观察到的显微组织合理一致，并且可以通过Hall-Petch关系[35]进行解释。 根据这种关系，材料的屈服强度和硬度在微观结构中晶粒较细的区域中较高[14]。因此，壁的底部区域表现出最高的平均值。表7拉伸试验结果总结。标本屈服强度（YS，MPa）极限抗拉强度（UTS，MPa）伸长率（EL，%）vTS-133653741vTS-234453138vTS-335152840平均343.67 ± 7.53531.78 ± 4.5239.58 ± 1.38HTS-134755355HTS-234955853HTS-336254855平均352.69 ± 8.12552.95 ± 4.9654.13 ± 1.29图14.垂直和水平试样之间的拉伸性能（UTS、YS和伸长率）比较。中间区域显示出晶粒尺寸比顶部区域相对更细的显微组织，因此该区域比顶部区域更硬。显微硬度的这种变化趋势也与先前发表的研究中观察到的相似[14，36]。表7总结了从三个垂直拉伸试样（vTS-1、vTS-2、vTS-3）和三个水平拉伸试样（hTS-1、hTS-2、hTS-3）的拉伸试验获得的结果。垂直和水平方向的拉伸性能比较也如图14所示。GMAWAM 308L墙体在堆积方向的抗拉强度和屈服强度分别为552.95 ± 4.96 MPa和352.69 ± 8.12MPa，而在砌筑方向的屈服强度和抗拉强度分别为343.67 ± 7.53 MPa和531.78 ± 4.52 MPa。水平试样的伸长率（EL）也高于垂直试样（54.13 ± 1.29% vs. 39.58 ± 1.38%）。拉伸性能的这种各向异性现象是由于微观结构的不均匀性[14]。柱状晶沿成型方向的向上生长是造成水平和垂直方向拉伸性能各向异性的主要原因。水平张力通常抵抗晶界力，而垂直张力主要抵抗晶粒内部的力和沉积层之间的结合力。本研究中获得的拉伸性能结果也与Abioye[17]报告的结果相似，其中薄壁308LSi部件是通过使用送丝系统的激光金属沉积生产的。然而，本研究中拉伸性能的各向异性趋势与WAAM[4，37]制造的316 L薄壁相反，其中作者表明垂直方向的拉伸强度高于水平方向的拉伸强度。最后，GMAWAM 308 L 壁 的 拉 伸 强 度 落 在 308 L 锻 制 钢 的 值 的 范 围 内（UTS：530- 650 MPa，YS：360-480 MPa，和EL：35-45%）。这一观察结果证实，GMAWAM 308L零件的内部质量足以满足工业应用。图 15揭示了断裂表面的形态，悬臂梁拉伸试样（图 15 a）和垂直拉伸试样（图 15 b）。结果表明，在水平拉伸和垂直拉伸试样的断口上均出现了大量均匀分布的韧窝这表明GMAWAM 308L具有良好的韧性[37]。此外，在水平拉伸试样的断口上观察到的韧窝深度和大小（图1）也与拉伸试样的断口形貌一致。 15 a）明显比垂直标本（图）更精致。 15 b）。这解释了为什么沉积方向上的韧性4. 结论本研究采用GMA- WAM法制备308 L墙体.研究的主要结果总结如下：图15. 通过SEM机器扫描的水平拉伸试样（a）和垂直拉伸试样（b）的断裂表面形貌。Van Thao Le，Dinh Si Mai，Tat Khoa Doan等.工程科学与技术，国际期刊24（2021）1015-10261025GMAW工艺的主要工艺参数，包括焊接电流、电压和移动速度，显著地影响单个焊缝的尺寸和形状。焊接电压和焊接速度对焊缝宽度影响较大，焊接电流和焊接速度对焊缝高度影响较大优化的工艺参数（I = 122 A，U = 20 V，v = 368 mm/min）。这些最佳参数使我们能够生产具有所需焊道宽度和焊道高度的光滑和规则的单个焊道，同时最大限度地减少热输入。这确保了308L墙体的稳定性和质量关于GMAWAMGMAWAM 308L墙体成功建造，没有任何重大缺陷，如裂缝。在沉积层之间也观察到强结合。壁面高度相对规则，材料沉积效率可达91%。GMAWAM 308L管壁的典型组织由柱状奥氏体枝晶和奥氏体基体中的残余铁素体两相组成。在特定的沉积层中，柱状枝晶从先前层的重熔区沿构建方向外延生长，然后转变为在层顶部具有等轴晶的粗柱状组织。GMAWAM 308L管壁的平均显微硬度约为163 ± 5.36 HV 0.1。GMAWAM 308L 墙体 的抗拉 强度呈 各向异性 ：YS = 343.67 ±7.53MPa，UTS = 531.78 ± 4.在建筑方向上，YS = 352.69 ± 8.12MPa，UTS = 552.95 ± 4.96 MPa，EL = 54。沉积方向为13 ± 1.29%竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。致谢该研究由越南国家科学技术发展基金会（NAFOSTED）资助，资助编号为107.99-2019.18。引用[1] S.W. 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