一、 【導讀】

在整個歷史中，理解和操縱材料的能力對技術的進步至關重要。如今的科學家和工程師們從經濟和環境的角度理解新材料的價值。功能梯度材料（FGMs）是零件中具有復雜結構和極高功能性的區域，其元素組成呈持續變化，從而產生新穎和定制的機械或熱學性質。開發具有增強性能并適用于航空航天、海洋、核工程和高溫防護涂層等各種應用的材料能力，大大增加了對FGMs的關注。尺寸和結構特征是用于對梯度材料進行分類的兩個因素。梯度可以是厚實的或薄層（例如表面涂層），需要不同的加工技術。根據結構的不同，它們分為連續和間斷兩組。在具有間斷梯度的材料中，微觀結構或化學成分逐漸變化，界面通常是可觀察的。相反，在具有連續梯度的材料中，化學成分或微觀結構隨位置不斷變化，幾乎不可能感知到明顯的邊界作為梯度結構的界面。

二、【成果掠影】

最近，印度泰米爾納德邦金奈市安納大學的T. S. Senthil教授提出了一種新穎的方法，利用基于冷金屬傳輸的線弧增材制造工藝來制造功能梯度的鉻鎳鐵合金 825-SS316L。鉻鎳鐵合金 825的光學顯微圖顯示了連續和間斷的樹枝狀結構。SS316L區域由5%的δ-鐵素體組成，其中主要的奧氏體(γ)樹枝狀晶體通過Creq/Nieq比值為1.305進行了確認。功能梯度的界面顯示出部分混合區，從細長的樹枝狀晶體過渡到細小的等軸晶體。利用從鉻鎳鐵合金 825、SS316L和界面區域提取的試樣，在室溫下確定了制造的壁的拉伸性能。拉伸試樣的形態學顯示了顯著的塑性變形，表明屬于韌性破壞。通過采用裂紋尖端張開位移（CTOD）試驗，實驗性地研究了壁的斷裂韌性。斷裂形態顯示出一種韌性破裂模式，裂紋發展方向垂直于條紋。元素映射顯示斷裂表面上沒有元素偏析的證據，元素均勻分散。CTOD值分別在鉻鎳鐵合金 825側和SS316L側為0.853毫米和0.873毫米。試驗結果確認，鉻鎳鐵合金 825和SS316L兩側具有良好的斷裂韌性。相關成果以 “Mechanical, microstructural and fracture studies on Inconel 825–SS316L functionally graded wall fabricated by wire arc additive manufacturing” 為題發表在Scientific Reports上。

三、【核心創新點】

這項研究通過冷金屬傳輸的線弧增材制造工藝實現功能梯度的鉻鎳鐵合金825-SS316L，在光學顯微圖和實驗結果中展示了連續和間斷的樹枝狀結構，成功實現了具有良好斷裂韌性的功能梯度界面。

四、【數據概覽】

圖1 展示的構建后的材料顯示了(a)高度 (b)寬度 (c)厚度。 2023 Springer Nature Limited

圖2 (a) 拉伸試樣的位置 (b) 拉伸試樣的規格。 2023 Springer Nature Limited

圖3 (a) 在鉻鎳鐵合金825上制備的斷裂韌性試樣缺口 (b) 在SS316L上制備的斷裂韌性試樣缺口。2023 Springer Nature Limited

圖4 (a) 鉻鎳鐵合金 825的光學顯微圖 (b) SS316L的光學顯微圖 (c) 界面的光學顯微圖。 2023 Springer Nature Limited

圖5 (a) 構建后的鉻鎳鐵合金 825、界面和SS316L的拉伸性能均值 (b) 帶有誤差棒的標準偏差。2023 Springer Nature Limited

圖6 (a) 鉻鎳鐵合金 825的斷裂表面 (b) 界面的斷裂表面 (c) SS316L的斷裂表面頸部區域的放大視圖 (d) 鉻鎳鐵合金 825 (e) 界面 (f) SS316L的放大視圖。 2023 Springer Nature Limited

圖7 (a) 鉻鎳鐵合金 825的裂紋尖端張開位移曲線 (b) SS316L的裂紋尖端張開位移曲線。 2023 Springer Nature Limited

圖8 (a) 鉻鎳鐵合金 825裂紋擴展的不同區域的掃描電子顯微鏡圖像 (b) SS316L裂紋擴展的不同區域的掃描電子顯微鏡圖像。 2023 Springer Nature Limited

圖9 (a) 鉻鎳鐵合金 825的掃描電子顯微鏡圖像顯示條紋痕跡 (b) SS316L的掃描電子顯微鏡圖像顯示條紋痕跡。 2023 Springer Nature Limited

圖10 (a) 鉻鎳鐵合金 825的快速斷裂表面的掃描電子顯微鏡圖像 (b) SS316L的快速斷裂表面的掃描電子顯微鏡圖像。 2023 Springer Nature Limited

圖11 (a-h) 斷裂的鉻鎳鐵合金 825區域的EDS元素映射圖。 2023 Springer Nature Limited

圖12 鉻鎳鐵合金 825區域的EDS元素譜和定量分析。 2023 Springer Nature Limited

圖13 (a-h) 斷裂的SS316L區域的EDS元素映射圖。2023 Springer Nature Limited

圖14 SS316L區域的EDS元素譜和定量分析。2023 Springer Nature Limited

五、【成果啟示】

總的來說，利用基于冷金屬轉移的WAAM工藝構建功能梯度壁，金屬傳輸特性表明WAAM成功地用于制造結構穩定的零部件。采用裂紋尖端開口位移方法和單邊缺口彎曲試樣幾何形狀評估了具有缺口的鉻鎳鐵合金 825和SS316L兩種功能梯度試樣的斷裂韌性。根據研究結果，鉻鎳鐵合金 825-SS316L壁的界面具有良好的斷裂性能，可在惡劣環境中使用。

原文詳情：Senthil, T.S., Babu, S.R. & Puviyarasan, M. Mechanical, microstructural and fracture studies on Inconel 825–SS316L functionally graded wall fabricated by wire arc additive manufacturing. Sci Rep 13, 5321 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41598-023-32124-3