摘要
超级马氏体不锈钢构件兼具高强度、高耐蚀以及易焊接的特性，主要用于水电、海工及石化等领域。然而，超级马氏体不锈钢凝固过程中容易产生严重偏析，并且其较低的延展性及较高的硬度使机加工困难。因此，采用传统的铸造与机加工方式生产超级马氏体不锈钢构件具有成材率低、生产成本高、质量稳定性差等缺点。 电弧增材制造(WAAM)技术是一种快速成型技术，其以电弧作为热源，熔化丝材，最终逐层沉积成构件。与激光增材比，WAAM具有很高的生产效率和致密度，非常适合于制备大尺寸金属构件。目前对于WAAM技术的研究主要集中于钛、铝等有色金属，关于钢铁材料的研究较少，尤其是关于超级马氏体不锈钢的WAAM研究尚属空白。本文采用基于冷金属过渡焊(CMT)的WAAM技术，进行超级马氏体不锈钢的WAAM,并开展了超级马氏体不锈钢的成形性、微观组织及力学性能的变化规律以及热处理对组织性能的影响研究，主要结论如下: (1)焊接工艺对单层及多层焊缝成形性的影响。研究了直流CMT、变极性CMT、直流CMT+脉冲、变极性CMT+脉冲四种焊接模式对单层焊缝成形的影响。变极性CMT焊缝余高系数为2.31、稀释率28.9％最低，具有更好的成形性。研究了送丝速度与焊接速度对单层及多层焊缝成形的影响。在送丝速度6-10m/min和焊接速度0.45-0.75 m/min时，余高系数大于2,单层焊缝成形最佳。在焊接速度小于0.45 m/min,送丝速度小于8 m/min时，多层焊缝的有效宽度系数达到0.96,表面无流淌，具有较佳的成形性。 (2)WAAM超级马氏体不锈钢直壁墙不同位置的微观组织变化规律。整个直壁墙表观无缺陷，内部无气孔、裂纹。多层直壁墙在不同高度位置具有不同的凝固组织特征，底部位置的组织由柱状晶组成的粗晶区和等轴晶组成的细晶区组成，中部和顶部位置的组织由粗大柱状晶组成，二者之间没有明显分界，并有跨层生长的粗大柱状晶群。整个直壁墙的微观组织均由板条马氏体构成。 (3)WAAM超级马氏体不锈钢直壁墙不同位置的力学性能分布规律。WAAM超级马氏体不锈钢沉积层底部区域硬度范围为329±38 Hv;沉积层中部区域的维氏硬度范围为342±21 Hv;沉积层顶部区域硬度范围为347±19 Hv。其中底部区域的显微硬度波动最为明显。这是源于底部区域与基板相邻，具有较好的散热条件，产生了明显的回火软化效应。直壁墙的横向拉伸性能，由下至上强度逐渐升高，塑性逐渐降低。横向屈服强度、抗拉强度和延伸率最高为844 MPa、1009 MPa和12.3％，纵向屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为893 MPa、982 MPa和5.1％。直壁墙的横、纵向力学性能存在各向异性，主要表现在延伸率和屈服强度上，其中延伸率的各向异性百分比最高达到58.5％。 (4)焊后热处理对WAAM超级马氏体不锈钢直壁墙组织和性能的影响。在550～700℃回火温度下，WAAM超级马氏体不锈钢的组织为马氏体+逆转变奥氏体。随回火温度升高，奥氏体含量先增加后降低，在600℃时，钢中奥氏体的含量最高，体积分数达29.5 ％。奥氏体含量变化与逆转变奥氏体的稳定性密切相关。另外，随回火温度升高，马氏体板条逐渐细化。随回火温度的升高，直壁墙抗拉强度先降低后升高，延伸率先升高后降低。600℃下获得了 18.1 ％的最高延伸率，抗拉强度为862 MPa。
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