Scientific Reports：制造功能梯度铬镍铁合金 825–SS316L新方法

一、 【导读】 

在整个历史中，理解和操纵材料的能力对技术的进步至关重要。如今的科学家和工程师们从经济和环境的角度理解新材料的价值。功能梯度材料（FGMs）是零件中具有复杂结构和极高功能性的区域，其元素组成呈持续变化，从而产生新颖和定制的机械或热学性质。开发具有增强性能并适用于航空航天、海洋、核工程和高温防护涂层等各种应用的材料能力，大大增加了对FGMs的关注。尺寸和结构特征是用于对梯度材料进行分类的两个因素。梯度可以是厚实的或薄层（例如表面涂层），需要不同的加工技术。根据结构的不同，它们分为连续和间断两组。在具有间断梯度的材料中，微观结构或化学成分逐渐变化，界面通常是可观察的。相反，在具有连续梯度的材料中，化学成分或微观结构随位置不断变化，几乎不可能感知到明显的边界作为梯度结构的界面。

二、【成果掠影】

最近，印度泰米尔纳德邦金奈市安纳大学的T. S. Senthil教授提出了一种新颖的方法，利用基于冷金属传输的线弧增材制造工艺来制造功能梯度的铬镍铁合金 825-SS316L。铬镍铁合金 825的光学显微图显示了连续和间断的树枝状结构。SS316L区域由5%的δ-铁素体组成，其中主要的奥氏体(γ)树枝状晶体通过C_req/N_ieq比值为1.305进行了确认。功能梯度的界面显示出部分混合区，从细长的树枝状晶体过渡到细小的等轴晶体。利用从铬镍铁合金 825、SS316L和界面区域提取的试样，在室温下确定了制造的壁的拉伸性能。拉伸试样的形态学显示了显著的塑性变形，表明属于韧性破坏。通过采用裂纹尖端张开位移（CTOD）试验，实验性地研究了壁的断裂韧性。断裂形态显示出一种韧性破裂模式，裂纹发展方向垂直于条纹。元素映射显示断裂表面上没有元素偏析的证据，元素均匀分散。CTOD值分别在铬镍铁合金 825侧和SS316L侧为0.853毫米和0.873毫米。试验结果确认，铬镍铁合金 825和SS316L两侧具有良好的断裂韧性。相关成果以 “Mechanical, microstructural and fracture studies on Inconel 825–SS316L functionally graded wall fabricated by wire arc additive manufacturing” 为题发表在Scientific Reports上。

 三、【核心创新点】

这项研究通过冷金属传输的线弧增材制造工艺实现功能梯度的铬镍铁合金825-SS316L，在光学显微图和实验结果中展示了连续和间断的树枝状结构，成功实现了具有良好断裂韧性的功能梯度界面。

 四、【数据概览】

图1 展示的构建后的材料显示了(a)高度 (b)宽度 (c)厚度。© 2023 Springer Nature Limited

图2 (a) 拉伸试样的位置 (b) 拉伸试样的规格。© 2023 Springer Nature Limited

图3 (a) 在铬镍铁合金825上制备的断裂韧性试样缺口 (b) 在SS316L上制备的断裂韧性试样缺口。© 2023 Springer Nature Limited

图4 (a) 铬镍铁合金 825的光学显微图 (b) SS316L的光学显微图 (c) 界面的光学显微图。© 2023 Springer Nature Limited

图5 (a) 构建后的铬镍铁合金 825、界面和SS316L的拉伸性能均值 (b) 带有误差棒的标准偏差。© 2023 Springer Nature Limited

图6 (a) 铬镍铁合金 825的断裂表面 (b) 界面的断裂表面 (c) SS316L的断裂表面颈部区域的放大视图 (d) 铬镍铁合金 825 (e) 界面 (f) SS316L的放大视图。© 2023 Springer Nature Limited

图7 (a) 铬镍铁合金 825的裂纹尖端张开位移曲线 (b) SS316L的裂纹尖端张开位移曲线。© 2023 Springer Nature Limited

图8 (a) 铬镍铁合金 825裂纹扩展的不同区域的扫描电子显微镜图像 (b) SS316L裂纹扩展的不同区域的扫描电子显微镜图像。© 2023 Springer Nature Limited

图9 (a) 铬镍铁合金 825的扫描电子显微镜图像显示条纹痕迹 (b) SS316L的扫描电子显微镜图像显示条纹痕迹。© 2023 Springer Nature Limited

图10 (a) 铬镍铁合金 825的快速断裂表面的扫描电子显微镜图像 (b) SS316L的快速断裂表面的扫描电子显微镜图像。© 2023 Springer Nature Limited

图11 (a-h) 断裂的铬镍铁合金 825区域的EDS元素映射图。© 2023 Springer Nature Limited

图12 铬镍铁合金 825区域的EDS元素谱和定量分析。© 2023 Springer Nature Limited

图13 (a-h) 断裂的SS316L区域的EDS元素映射图。© 2023 Springer Nature Limited

图14 SS316L区域的EDS元素谱和定量分析。© 2023 Springer Nature Limited

五、【成果启示】

总的来说，利用基于冷金属转移的WAAM工艺构建功能梯度壁，金属传输特性表明WAAM成功地用于制造结构稳定的零部件。采用裂纹尖端开口位移方法和单边缺口弯曲试样几何形状评估了具有缺口的铬镍铁合金 825和SS316L两种功能梯度试样的断裂韧性。根据研究结果，铬镍铁合金 825-SS316L壁的界面具有良好的断裂性能，可在恶劣环境中使用。

原文详情：Senthil, T.S., Babu, S.R. & Puviyarasan, M. Mechanical, microstructural and fracture studies on Inconel 825–SS316L functionally graded wall fabricated by wire arc additive manufacturing. Sci Rep 13, 5321 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41598-023-32124-3

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