引文格式：

背景简介

增材制造（AM）能够实现复杂金属构件的精确制造，对现代制造业产生了重大影响。在各种增材制造技术中，电弧增材制造（WAAM）因其在大型金属零件制造中的高效性而著称。WAAM利用电弧和金属丝材提供了一种成本效益高、沉积效率高的工艺，同时最大限度地减少材料浪费。

Grade 91钢是一种9Cr-1Mo合金，因其具有良好的抗应力腐蚀性能和耐高温性能而被广泛应用于核电站和高压设备。镍铜合金Monel-400由于较强的耐腐蚀性，在海洋工程和化学工业中具有重要的应用价值。通过AM技术将Grade 91钢与Monel-400合金相结合，可以制备出兼具耐高温和耐腐蚀性的材料。然而，WAAM工艺可能会引入残余应力，导致变形、疲劳寿命降低和裂纹敏感性增加等问题。激光冲击强化 ( LSP ) 作为一种有效改善制造零件的残余应力和机械性能的技术，被广泛的应用于增材制造领域，以解决增材制造过程中产生的残余应力问题。然而，目前关于 LSP 对 WAAM 制造的双金属结构的影响的研究较少，LSP 如何影响 WAAM 制造的双金属结构的微观结构和机力学性能还需进一步的研究和分析。因此，本文旨在研究LSP对由Grade 91钢和Monel-400合金制成的双金属结构的残余应力分布、微观结构和力学性能的影响。

成果介绍

（1）Grade 91钢和Monel-400合金制成的双金属结构的微观组织如图1所示。经过LSP处理后，WAAM双金属构件的残余应力随深度的增加而持续增加（图2）。对于WAAM Grade 91钢，各测量位置的拉伸残余应力均有所提高，表明LSP工艺在Grade 91钢内部引入了额外的拉应力。对于Monel-400合金，压缩残余应力也表现出同样的趋势，受影响最小的P位置应力从18.5±1.8 MPa上升到42.1±3.1 MPa，受影响最大的T位置残余应力显著增加，从初始的84.6±2 MPa提升至LSP后的183±1.2 MPa。在双金属界面（O位置），残余应力从109±2.5 MPa大幅度增加到184.9±2.5 MPa。这种残余应力的显著增加，突显了LSP在增强机械互锁效果方面的有效性，并有望显著改善双金属构件的整体结构完整性。

图1 WAAM Grade 91钢/Monel-400合金双金属结构的微观组织特征：(a) OM图像，(b) LSP前的FE-SEM图像，(c) LSP后的FE-SEM图像

图2 Grade 91钢和Monel-400合金电弧增材双金属构件不同位置的残余应力在LSP前后的变化

（2）LSP后的WAAM样品的应力-应变曲线如图3(a)所示。根据图3(b)，Grade 91钢和双金属界面的屈服强度和抗拉强度均有所提高，但伸长率有所降低。与此相反，WAAM Monel-400合金的屈服强度和抗拉强度略有下降，伸长率则从1%提高到38.5%。屈服强度和抗拉强度的提高代表材料的抗变形和抗断裂能力的提升，而伸长率的增加表明其延展性得到了增强。

此外，三种样品的显微硬度都有所增加（图4），表明LSP增强了材料的耐腐蚀性和抗疲劳性能。由于LSP处理后引入了有益的压应力场，并且提高了材料的显微硬度，因此能够有效地延长材料的疲劳寿命。

图3 LSP处理对WAAM样品力学性能的影响：(a)应力应变曲线，(b)屈服强度、抗拉强度和伸长率

图4 (a) WAAM Grade 91钢、Monel-400合金及双金属界面在LSP前后的显微硬度变化，(b)显微硬度测量的位置

（3）经过LSP处理后，晶粒细化程度提高，晶界排列更加均匀，证明了LSP在改变该材料微观结构特征方面的有效性（图5）。如图5b和5e所示，低角度晶界（LAGBs）占比从22.5%大幅增加到55.2%，高角度晶界（HAGBs）占比从49.1%显著降低到34.9%。这一转变表明较大晶粒通过LAGBs的形成发生了细化，晶粒的破碎引入了大量位错和晶格畸变，从而提高了材料的力学性能。总的来说，LSP处理通过增加压缩残余应力和位错强化，显著提高了Grade 91钢和Monel-400合金电弧增材双金属构件的力学性能。

图5 LSP处理前材料的(a)晶粒取向，(b)晶界，(c)晶粒尺寸分布；LSP处理后的材料的(d)晶粒取向，(e)晶界，(f)晶粒尺寸分布

致谢

本文第一作者、通讯作者：Sivakumar Munusamy（Department of Production Engineering, National Institute of Technology Tiruchirappalli, Trichy, India）。

本期小编：闵     琳（整理）

王永杰（校对）

程     航（审核）

王永杰（发布）