AM News | 电弧熔丝增材制造大型高强度压力容器的组织、性能和商业化

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压力容器的机械性能

压力容器的设计运行压强是10巴，该数值已将安全系数考虑进去了。初步的计算结果预测断裂会发生在90巴左右。值得注意的是，在实际生产过程中，部件一般要求在1.5倍的运行压强下进行测试。

重达300 kg的高强度压力容器，图源：[1]

微观组织

尽管在WAAM工艺材料中会经历快速凝固和本征循环加热的物理冶金过程，但是，打印过程中的热历史却与其它基于熔化的增材制造工艺有所区别。因此，材料内部的微观组织和打印件的机械性能也具有一定的独特性。

先前的研究成果[2]表明，随着打印层离基板的距离增加，因为热量的积累和循环加热会变得越来越明显，所以冷却速率随着打印高度的增加而下降。在低或中等的冷却速率下，打印件的组织由δ-铁素体和奥氏体组成；而在高冷却速率下，σ相（CrFe）会和δ-铁素体和奥氏体一起出现在组织中。基于热力学理论，在600-900 ℃之间，σ相会在铁素体和奥氏体的界面析出。一旦温度高于1050 ℃时，σ相则会逐渐溶解在奥氏体基体里。在打印件顶部区域，尽管冷却速率低，但是温度超过1050 ℃的时间仍然较短，所以σ相并没有完全溶解在奥氏体基体里。

随着冷却速率的下降，δ铁素体的含量会增加，比如从14.5%，到16.2%和17.3%。另外，高能量输入会增加热量的积累，晶粒有了更多的时间生长，从而导致初生枝晶间距的增加。

拉伸试样的机械性能

拉伸曲线，图源：[2]

商业化应用的挑战

从设备角度来看，WAAM工艺所需的设备非常简单，包括自动焊接单元和电源。因此，许多在金属行业的公司本身就拥有这些设施。但是，增材制造的压力容器不会立马出现在市场上，因为还没有现成的标准。压力容器必须符合压力设备的相关指令，而欧洲标准正处于组建和承力工作小组的阶段。这意味着若干年后才会有设计和生产的标准。

参考资料：

[1] [2] https:///10.3390/ma[3] https:///10.1016/.2023.144820

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TCT Asia 2024

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