電弧熔絲增材制造大型高強度壓力容器的組織、性能和商業(yè)化

來源： 洞察金屬增材制造

據(jù)報道，來自芬蘭的團隊成功利用了電弧熔絲增材制造（WAAM）工藝打印了一個重達300 kg的高強度316L不銹鋼壓力容器[1]。該容器高達1600  mm，直徑為900 mm，在石油和天然氣行業(yè)有著廣泛的應用。團隊不僅對壓力容器進行了滲透無損檢測，還對材料和基于幾何結構的性能進行了測試。通過對比打印成品和CAD模型，確定了尺寸精確度平均在2毫米左右。壓力容器僅在10倍的設計運行壓強下才出現(xiàn)損壞。該成果足以證明電弧熔絲增材制造工藝能夠用于生產高性能的大尺寸部件。

壓力容器的機械性能

壓力容器的設計運行壓強是10巴，該數(shù)值已將安全系數(shù)考慮進去了。初步的計算結果預測斷裂會發(fā)生在90巴左右。值得注意的是，在實際生產過程中，部件一般要求在1.5倍的運行壓強下進行測試。

在壓強測試中，科研人員將水抽入容器中，并對容器最寬部分的直徑進行監(jiān)測。在66巴時，沒有觀測到明顯的變化；當壓強增加到80巴以上時，容器的形狀開始嚴重變形。最終，在111巴時，觀測到水從容器腿部附近的一個裂紋中泄漏。此時，容器的直徑擴展了7%。研究人員使用焊接技術對裂縫進行了修補，并對容器進行二次測試。結果，斷裂再次發(fā)生在腿部區(qū)域。這表明了腿部區(qū)域是一個結構弱點，并且第一次的斷裂并不是由制造錯誤引起。

△重達300 kg的高強度壓力容器，圖源：[1]

微觀組織

盡管在WAAM工藝材料中會經歷快速凝固和本征循環(huán)加熱的物理冶金過程，但是，打印過程中的熱歷史卻與其它基于熔化的增材制造工藝有所區(qū)別。因此，材料內部的微觀組織和打印件的機械性能也具有一定的獨特性。

先前的研究成果[2]表明，隨著打印層離基板的距離增加，因為熱量的積累和循環(huán)加熱會變得越來越明顯，所以冷卻速率隨著打印高度的增加而下降。在低或中等的冷卻速率下，打印件的組織由δ-鐵素體和奧氏體組成；而在高冷卻速率下，σ相（CrFe）會和δ-鐵素體和奧氏體一起出現(xiàn)在組織中�；�于熱力學理論，在600-900 ℃之間，σ相會在鐵素體和奧氏體的界面析出。一旦溫度高于1050 ℃時，σ相則會逐漸溶解在奧氏體基體里。在打印件頂部區(qū)域，盡管冷卻速率低，但是溫度超過1050 ℃的時間仍然較短，所以σ相并沒有完全溶解在奧氏體基體里。

隨著冷卻速率的下降，δ鐵素體的含量會增加，比如從14.5%，到16.2%和17.3%。另外，高能量輸入會增加熱量的積累，晶粒有了更多的時間生長，從而導致初生枝晶間距的增加。

拉伸試樣的機械性能
打印件的屈服強度和抗拉強度在330 MPa和550 MPa左右（見下圖）。與鍛造的316L鋼相比，兩者的屈服強度相當，但是前者的抗拉強度（鍛造情況下在600 MPa左右[3]）偏低。通過分析斷口形貌，總結出主要的斷裂機理是在拉伸的過程中，由于應力集中，微空洞在δ鐵素體的附近處形核并聚集成尺寸更大的缺陷而引起韌性斷裂。

△拉伸曲線，圖源：[2]

商業(yè)化應用的挑戰(zhàn)
從設備角度來看，WAAM工藝所需的設備非常簡單，包括自動焊接單元和電源。因此，許多在金屬行業(yè)的公司本身就擁有這些設施。但是，增材制造的壓力容器不會立馬出現(xiàn)在市場上，因為還沒有現(xiàn)成的標準。壓力容器必須符合壓力設備的相關指令，而歐洲標準正處于組建和承力工作小組的階段。這意味著若干年后才會有設計和生產的標準。

作者評注：在使用WAAM工藝時，由于冷卻速率和熱量積累沿構建高度存在一定的區(qū)別，用戶應考慮到對應不同材料的相變特性可能會存在微觀組織沿構建高度不均勻性的現(xiàn)象。