研究背景
高强度低合金钢(HSLA钢)：这种钢中含有Ni、Cr、Mn、Mo和Ti等含量较低的合金元素，总含量在2.5 wt%以下，C含量在0.25 wt%以下，其余为Fe元素。
HSLA钢已被广泛用于船舶、建筑等领域的大型结构部件中。传统的HSLA钢是通过冶金铸造的方法来制备的，而近年来，增材制造(AM)在各领域应用越来越广泛，研究者们更多地着眼于增材制造在HSLA钢上的应用。
应用于HSLA钢的AM技术有两类：粉末床熔合(PBD)和定向能量沉积(DED)，后者的沉积速率更高且制备零件的尺寸可以更大，在制备大型构件上有其优势。而本论文研究的电弧增材制造（WAAM）正是属于DED的一种典型技术。
论文工作
本研究采用基于冷金属过渡焊（CMT）的 WAAM技术制备了高度为170 mm的单道薄壁零件。研究分析了薄壁件的沉积高度相关的显微组织和力学性能。另外，还对比研究了铸态钢和沉积态钢，讨论了两者的塑性变形行为。
下图中的图b展示了本论文WAAM零件的制备过程和零件方向，Z轴是沉积堆叠方向，即零件的高度方向。X轴为每层的熔焊方向，即零件的长度方向。Y轴对应零件的厚度（宽度）方向。
表征方法
本论文光镜（OM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、XRD和EBSD等作为微观组织的表征手段。
WAAM工艺制造的零件在高度方向上是一层层堆叠沉积起来的，自然地，首先用OM观察不同高度的组织有何差异，如下图，图b-f是从图a所示不同高度的YOZ截面的组织形貌图。图中可见层间的熔合线，用虚线标出。从组织上的差异来看，零件在高度方向上可以分为3个区域：底部，中部和顶部。
为了做进一步研究，使用OM和SEM表征了不同高度的XOZ截面的组织形貌，如下图。图中b、c、d对应底部、中部和顶部，三个区域的微观组织均表现为贝氏体，均由贝氏体铁素体(BF)和岛状基体组成。BF在OM下呈现白色(图b2-d2)，而在SEM下呈现深灰色(图b3-d3)。
随着沉积高度自下而上的增加，BF颗粒尺寸明显增大，岛状基体长径比减小。底部区域的微观结构为羽状贝氏体(FB)，由板条BF和呈亮白色、平行拉长形状的岛屿组成(图b3)。顶部区域的显微组织为粒状贝氏体(GB)，由粗粒BF和块状岛屿组成(图d3)。
为了探究样品的相组成，取底部、中部和顶部的样品，还有铸态样品做XRD测试，如下图。可以看到，不同高度的三个区域均包含主要的α-Fe相和少量的γ-Fe相，而铸态样品没有γ-Fe相。
对样品的成分分析表明样品中存在偏析，如下图。图中展示了中部的微观组织中的元素成分分布，和EBSD测试结果。分析表明，C、Ni、Mn、Cr元素存在带状偏析，偏析间距约为23.1μm。EBSD的BC图显示偏析区域BC灰度更大，表明其内部结构更复杂。
接下来使用TEM对上述带状偏析组织做进一步表征，如下图。在明场像中，偏析区域显示为深黑色，在HAADF像中则显示为亮白色，HADDF的原子序数衬度与合金偏析情况相符合。偏析区域组织中含有大量纳米孪晶（红色箭头），SAED表明[110]投影中BCC α-Fe 基体与α-Fe 孪晶之间存在{112}型孪生关系，这种孪晶近年来在低碳、低合金淬火铁基钢中经常被观察到。同样值得注意的是，SAED图中另一组黄色矩形标记的斑点被证实起源于六边形密堆积(HCP) ω相，它总是以微小纳米级颗粒形态出现在{112}型孪晶边界处。
上面分析了偏析区的微观组织，接下来再观察非偏析区的组织，如下图。从明场像看，该区域呈现出由亮白色BF和深黑色岛状组织组成的结构。
SAED斑点图中，亮度较强的是BCC α-Fe 基体的[001]带轴衍射斑。另外两组分别为BCC α-Fe的[-111]带轴和FCC γ-Fe的[011]带轴，这两组斑点是由岛状组织产生的，因为岛状组织在暗场图像中呈现白色，而暗场图像来自图b中两个紧密相连的点(-1-10) α-Fe和(-200) γ-Fe。因此，岛状组织实际上是由马氏体(M)和残留的奥氏体(RA)组成的。图中可看出明显的取向关系：[001]BF基体 //[-111]M//[011]RA。此外，相对于BF基体，M/A岛富含更多的碳和合金元素。
除了上述的零件中部组织，论文还详细研究了顶部和底部组织，此处不再展开叙述。
研究结果
经过一系列表征与分析，论文得出结论如下：
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选择最优的WAAM工艺参数，在送丝速度为4.5m/min、行程速度为0.36 m/min的条件下，加工出气孔率为0.1996%的单道薄壁件，几乎无缺陷。
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沉积薄壁件的显微组织由贝氏体铁素体(BF)组成的羽状贝氏体(FB)和底部的膜状奥氏体(A)岛，转变为由BF组成的粒状贝氏体(GB)和顶部的马氏体(M)岛。薄壁部分的中间区域体积约占76%，呈现为GB组织，主要相为BF和M/ A岛。随着沉积高度的增加，BF晶粒尺寸增大，岛的长径比减小。
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与铸态钢内部的胞状偏析相比，沉积态钢在相邻的两个柱状母相γ晶粒之间表现出带状偏析，且距离较短，偏析程度较低。带状偏析区由纳米孪晶板条马氏体组成，更有利于塑性变形。此外，沉积态钢的BF晶粒明显优于铸态钢。
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铸态钢相比于沉积态钢，屈服强度从426.2 MPa增大到594.9 MPa，极限强度从858.4 MPa减小到778.6 MPa， 拉伸应变总量从20.7%大幅降低到10.9%。与常规铸态钢相比，沉积态钢表现出明显增强的强度-韧性平衡。
本文源自微信公众号：中材新材料研究院
原文标题：《TEM文献解读 || 电弧增材制备的低合金钢》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/3uJnXl5bghBC8P10Kq6p_g
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