双相不锈钢（DSS）由于具有优异的比强度和耐腐蚀性等优点，最近被认为是在中型至大型船舶螺旋桨中替代传统青铜基合金的有前途的候选材料。定向能量沉积电弧（DED-arc）因其灵活性和高效率而被选为制造船舶螺旋桨的首选方法。然而，由于DED电弧工艺引起严重的热量积累，DSS沉积物中形成了过量的奥氏体，这极大地限制了DSS的力学性能。因此，具有较低热积累效应的电弧工艺对于获得更理想的DSS沉积相比至关重要。

2023年8月21日，上海交通大学材料科学与工程学院焊接与激光制造研究所华学明教授、沈忱副教授团队与福州大学合作在《Additive Manufacturing》（中科院1区，Top，影响因子11）期刊发表最新研究成果“Effect of variable polarity during cold metal transfer on microstructure and mechanical properties of directed energy deposition-arc built 2209 duplex stainless steel”，将具有更低热输入的变极性冷金属转移（VP-CMT）模式应用于DED-arc工艺，以进一步减少热量积累和奥氏体化。华学明教授、沈忱副教授为共同通讯作者。

结果证实了VP-CMT模式在降低沉积态和再加热区奥氏体体积分数方面的有效性，因此在相同的送丝和行进速度下，VP-CMT比普通CMT生产出更高强度的DSS零件。此外，VP-CMT较低的线能量输入导致DSS堆积壁中的再加热区域较小，这种形态差异进一步导致比普通CMT样品更大的拉伸性能各向异性。与普通CMT相比，VP-CMT在控制铁素体/奥氏体比例达到平衡方面表现出更大的潜力。

图 1. 电弧和熔滴过渡行为 (a) CMT，(b) VP-CMT。

图 2. 堆积壁的宏观观察。(a) CMT 壁的 YOZ 截面，(b) CMT 壁的 XOZ 截面，(c) VP-CMT 壁的 YOZ 截面，(d) VP-CMT 壁的 XOZ 截面。

图 3. 堆积壁的拉伸性能。(a) 试样沿垂直方向的拉伸曲线，(b) 试样沿水平方向的拉伸曲线。

该研究证实VP-CMT具有对DSS进行DED电弧的能力，从而在一定程度上降低DED电弧DSS中奥氏体相的比例。通过彻底的微观结构表征和机械性能检查，系统分析了可变极性添加对CMT工艺和DSS堆积壁的影响。可以得出以下结论：

1. CMT沉积壁的奥氏体含量约为72.1%，而VP-CMT沉积壁的奥氏体含量约为65.6%，减少了6.5%。这种减少主要归因于两个因素：（1）VP-CMT堆焊壁中再加热区和沉积区奥氏体比例降低；(2)VP-CMT堆积壁中再加热区的比例减少。

2. 通过引入可变极性，组合墙的水平拉伸强度比CMT组合墙增加了3.3%，而伸长率却下降了5.1%。该结果的发生是由于铁素体晶粒的细化和奥氏体相比例的减少。就垂直拉伸强度而言，VP-CMT堆焊墙与CMT堆焊墙相当，但垂直塑性增加了8.3%。这种增加是由于VP-CMT堆焊壁内的再加热区域仍然保留了很大比例的奥氏体，从而使其成为较弱的区域。此外，VP-CMT沉积物表现出更大程度的铁素体柱状晶粒的外延生长以及具有<001>取向偏差的小细胞铁素体晶粒的减少，这可以阻碍熔合线附近的位错运动和变形。

3. CMT工艺引入可变极性后，热量输入减少。因为EN-CMT循环将更多能量集中在填充焊丝上，并且增强阶段的持续时间减少。

4. 尽管与CMT工艺相比，VP-CMT工艺有效地降低了奥氏体比例，但实现所需的相比（50%奥氏体）仍然具有挑战性。因此，有必要探索除改变功率模式之外的替代方法，以便从根本上获得DED电弧沉积的最佳相比。

华学明，上海交通大学焊接与激光制造所所长、教授、博士生导师，上海市焊接学会第十一届理事会理事长、中国焊接学会理事、熔焊工艺及设备委员会副主任，上海市焊接学会学术委员会主任委员，上海市机械工程学会理事，《造船技术》杂志编委。主持参与国家重大课题、国家自然基金、工信部重大专项课题、上海市基金课题及工业企业等项目，获上海市科技进步奖、中国机械工业科学技术奖等3项（排名第一），发表论文200余篇，授权国家发明专利30余项，副主编和参编专著4本。主要研究方向：焊接电弧物理及先进焊接新方法、激光焊接及机器人焊接技术、电弧增材制造等。

沈忱，上海交通大学材料科学与工程学院焊接与激光制造研究所副教授，博导。主要研究方向：金属间化合物双丝电/等离子弧增材制造、中子衍射金属应力与相变表征。长期从事金属间化合物（钛铝、铁铝、镍钛）及传统合金（镍铝青铜、双相不锈钢）的熔丝电弧增材制造工艺、材料、系统集成、路径规划算法研究。首创研发的“基于双丝等离子弧增材制造的航空钛铝合金原位制备成形技术”国内独有，在国际具有影响力。主持国家自然科学基金青年项目、上海市科学技术委员会“扬帆计划”项目、上海交通大学“深蓝计划”基金面上项目等。作为主要成员参与国家自然科学基金航天联合基金项目、上海市科学技术委员会“科技创新行动计划”高新领域项目等。以第一/通讯作者在Additive Manufacturing等SCI期刊发表论文25篇，成果面向航空航天、海洋工程、石油化工等领域。

论文引用

Wu K, Hua X, Shen C, et al. Effect of variable polarity during cold metal transfer on microstructure and mechanical properties of directed energy deposition-arc built 2209 duplex stainless steel[J]. Additive Manufacturing, 2023: 103750.

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103750