Wire arc directed energy deposition of 18Ni-350 maraging steel: process optimization, mechanical properties and aging response
本研究确立了18Ni-350马氏体时效钢丝弧定向能量沉积的最佳工艺窗口，证明了虽然时效显著提高了抗拉强度和硬度，但冲击韧性保持稳定，从而证实了该方法在生产高强度、高抗冲击近净成形部件方面的可行性。
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想象一下这样一个世界：我们可以不再通过从一大块金属中切割，或者将熔融金属倒入模具中来制造巨大的、复杂的金属构件，而是通过“打印”的方式，一层一层地堆叠它们，就像一台用于重型机械的3D打印机。这就是增材制造（Additive Manufacturing）的领域。虽然有些3D打印机使用激光来熔化微小的金属粉末，但另一些则使用巨大的机器人电弧焊枪来熔化正在铺设的金属丝。这种特定的方法被称为“电弧增材制造”（WA-DED）。你可以把它想象成一个非常精准、速度极快的热熔胶枪，只不过它喷出的不是胶水，而是熔融的钢水。
这里涉及到的材料是一种特殊的钢，叫做“马氏体时效钢”（maraging steel）。这个名字听起来像是“马氏体”（martensite，一种超强晶体结构）和“时效”（age，因为在加热并放置一段时间后会变得更强）的结合。它是用于制造火箭零件和高性能工具的那种金属，因为它具有极高的韧性和强度。然而，用焊接火炬来打印这种特定类型的钢是非常棘手的。如果这个“胶枪”晃动或者热量控制不对，金属就会变得脆弱或布满孔洞。科学家们一直试图找出速度、热量和送丝速度的完美配方，以使这一过程可靠地运行。这正是研究人员试图解决的谜题。
金属打印大谜题
在这项研究中，来自葡萄牙的一个研究小组决定将金属打印过程视为一场大型科学实验。他们想要找到打印 18Ni-350 马氏体时效钢的“金发姑娘”（意指完美适中）设置。他们的目标不仅仅是制造一块金属，而是要制造出一块坚固、强韧且无缺陷的金属块，并观察在进行特殊热处理后会发生什么。
寻找完美的配方
团队首先通过调整机器上的三个主要旋钮来进行实验：火炬移动的速度（行走速度）、金属丝送入火焰的速度（送丝速度）以及使用的电功率（电压）。他们使用了一种被称为“实验设计”（Design of Experiments）的聪明统计方法，在不浪费数月时间的情况下测试了数十种组合。
他们测量了“电弧稳定性”，这基本上是指焊接火焰有多稳定。想象一下尝试用一支不停抖动的笔画一条直线；如果笔很稳，你就能画出平滑的线。研究人员发现，电压和送丝速度是最重要的成分。火炬的速度则没那么重要。
通过计算数据，他们发现了保持火焰稳定的完美设置：
- 行走速度： 481 mm/min
- 送丝速度： 5.9 m/min
- 电压： 23.4 V
在这些设置下，他们预测电弧大约有 96.3% 的时间是稳定的。这就像是在寻找挤压牙膏管的确切压力，以便让它以完美、稳定的流速出来，而不会四处喷溅。
建造墙壁
有了完美的配方后，他们建造了两种类型的金属墙。首先，他们制作了薄的单层墙，以测试金属在被拉开时的强度（抗拉强度）；然后，他们通过每层铺设四道金属纹路（类似于叠砖块并带有少量重叠）建造了一面更厚的墙，以观察金属在更真实的、厚实的形状下的表现。
结果：更强、更韧
当他们测试薄墙时，结果令人印象深刻。
- 热处理前（打印态）： 金属本身已经相当强壮，其抗拉强度（极限抗拉强度）根据拉伸方向的不同，在 1253 MPa 到 1366 MPa 之间。
- 热处理后（时效态）： 他们将金属加热至 480 °C 并保持 5 小时，然后让其冷却。这就是“时效”部分。突然间，金属变得更强了，达到了 1613 MPa 到 1687 MPa。更棒的是，它变得更有延展性（延伸率从约 6% 增加到了 8.5–10.2%）。
通常情况下，当金属变强时，它会变得更脆（就像一根干枯的树枝会折断）。但在这种情况下，金属不仅变得更强，而且变得更有弹性。研究人员认为这是因为热处理抚平了打印过程中留下的一些微小缺陷。
厚墙的惊喜
当他们观察厚的多层墙时，发现了一个关于其硬度的有趣现象。
- 热处理前： 它已经相当硬，达到了 508 HV1.0。
- 热处理后： 它变得更硬了，达到了 625 HV1.0。
“打印态”金属已经如此坚硬的事实表明，建造厚墙的过程本身就像是一次微型热处理。随着每一层新的热金属被添加，它都会对下方的层进行重新加热，在最终的烤箱烘烤之前对其进行轻微的回火。
韧性测试
最后，他们使用摆锤冲击试验（Charpy V-notch）测试了金属在断裂前能吸收多少能量（冲击韧性）。
- 打印态： 438 ± 2 J
- 时效态： 440 ± 3 J
这里有一个转折：热处理让金属变得更硬、更强，但它并没有改变金属吸收能量的能力。韧性保持完全不变。研究人员解释说，控制金属断裂的特征已经在打印过程本身中确定了，而不是在最后的加热过程中。这就像巧克力棒的“韧性”是由你混合原料的方式决定的，而不是由你后来如何包装它决定的。
下一步计划
研究结论指出，这种方法是制造大型、强韧且由 18Ni-350 马氏体时效钢制成的部件的可行途径。他们找到了一个适用于焊接“短路模式”的机器设置甜点区。然而，他们指出这个“甜点区”正处于他们测试设置的边缘。为了找到一个真正的全局最优解，他们需要测试更广泛的设置范围。他们还建议，未来的工作应该深入研究金属内部的微小晶体，并观察在最终时效前的不同热处理方式是否能让部件变得更好。
简而言之，这些研究人员弄清楚了如何调节一台巨大的金属3D打印机，从而制造出一种在经过“温水浴”后会变得更强的超强钢，证明了你不需要价值百万美元的激光机也能打印出复杂的、高性能的零件。
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