不同WAAM电流沉积方式对AISI H13工具钢力学性能的影响
本研究采用金属丝弧增材制造（WAAM）技术生产了AISI H13工具钢构件，并比较了冷金属传递（CMT）、低飞溅控制（LSC）和脉冲协同（PS）三种不同的电流沉积方式。
为了比较使用CMT、LSC和PS制备的沉积物的几何和机械特性之间的影响，使用了Fronius® TPSi 320 CMT焊接电源。CMT焊枪安装在一台三轴铣床上，数控系统可以使用标准的ISO语言编程，以良好的精度定义和获取刀具路径和焊枪速度。
使用直径为1.0毫米的铬钼钒合金钢AISI H13 (EN X40CrMoV5-1)作为铸造材料。根据Bohler-Uddeholm制造商，当淬火回火至52 HRC时，该钢的室温拉伸强度为1820 MPa，屈服强度为1520 MPa。使用碳钢棒作为沉积物的基板，尺寸为250×150×12毫米。基板预热温度为120℃。
拉伸试验在室温下在万能试验机（Instron MTS 810）上进行，以恒定速度0.5毫米/分钟进行。
使用电源集成记录器获得的沉积工艺参数，对于每种堆焊方式，该值已设置导丝送进速度（W）为5.0 m/min，但是电源的内部控制会“调整”每种堆焊方式的该值，每种堆焊方式的沉积能量输入（E）是基于电源提供的平均弧功率（IP）和所使用的沉积速度计算的，而该沉积速度对于三种堆焊方式是相同的。
可以观察到LSC的沉积电流和电压有小的变化。虽然CMT的电流值分散度较高，并且其电流值较高、电压值较低，但两种沉积模式都表现出相同的趋势。PS的平均电流值最低，并且在沉积越来越多层时，其值逐渐降低；从第1层到第30层的差异约为28.6%。
在此模式下观察到了电弧电压的相反趋势，从第1层的21.4 V变化到第30层的23.3 V。采用的沉积模式和相应的参数影响了沉积物的几何形状，连续层之间的火炬垂直移动保持不变（3.5 mm）对所有沉积物都适用。
由于PS墙的总高度最低，小的累积CTWD增加应该会产生逐渐增加的张力，由电流减少的协同电源程序来补偿。程序通常设计为单遍，并且可以受到部件积累热量的影响而发生变化。
而较低的电流值可以与PS的波形和CTWD变化有关，CMT的较高电流与调整为此模式的较高送丝速度有关，导致在三种沉积模式中沉积电流最高。
使用CMT模式制造的墙高度最大且最宽。这可以归因于较高的送丝速度和沉积电流，因为三种沉积模式的焊接速度相同。电流影响沉积速率；随着电流的增加，导丝熔合速率和沉积速率会增加。即使LSC的能量输入低于PS模式，其墙高度仍较高，再次显示了电流对沉积速率的重要影响。
从拉伸试样中提取的样品中测量的总压痕点数，即沿着沉积的垂直方向。进行了宏观分析，尽管宏观结构存在异质性，但制造的墙壁中未观察到内部缺陷（裂纹，孔隙，未熔合）。可以注意到b，c中交替的三个不同的晶粒区域; 这些建议的区域（细晶粒区，部分细晶粒区和粗晶粒区）是基于多道焊接接头中发现的常见区域。
可以看到硬度较低的值主要出现在以等轴形为主的细化区域; 随后的增加与部分细化晶粒区有关，最后是粗晶粒区，其中出现更大的柱状晶粒。对于PS模式，压痕数24具有757 HK，位于粗晶粒区，下一个（压痕25）具有746 HK，涉及细化区。
硬度剖面可以支持晶粒尺寸和微观结构的异质性表示。似乎相对于其他模式，PS沉积模式的硬度值变化更大，并且在中间样品中更小（大约在墙高的中央区域）。
本研究探究了采用冷金属转移（CMT）、低飞溅控制（LSC）和脉冲协同（PS）应用于WAAM过程对AISI H13钢材机械性能和热循环的影响。根据实验结果和分析，得出以下结论：
采用WAAM制造AISI H13钢的不同金属转移模式，即CMT、LSC和PS模式，证明是可行的。所有金属转移模式均能生产无间断的沉积物。
关于电弧沉积参数，LSC和CMT模式的电弧电压和电流均值相似，而PS模式在连续沉积层期间出现振荡，导致较低的电弧电流和较高的电压均值。LSC模式的能量最低。PS模式表现出最高的基板温度，但其沉积金属的体积最小。CMT模式产生的沉积壁最高和最宽。
比较本研究所研究的三种沉积模式，没有发现机械性能方面的显著差异。硬度结果非常高，表明微观结构中存在硬质相。获得了高拉伸强度值，但所有试件均表现出低延伸脆断。微观结构由马氏体、碳化物和残余奥氏体组成。晶界沉淀物导致了在拉伸试验中观察到的脆化。
根据以上观点，尽管研究的三种沉积模式CMT、LSC和PS能够获得具有相似特性的WAAM沉积物，但由于AISI H13钢的冶金特性，沉积物的机械性能并不令人满意。其他沉积方案或应用热处理可能会改善沉积物的性能。
