張麗煒李嘉寧劉立強王曉臨

(1.山東建筑大學 材料科學與工程學院，山東 濟南250101；2.伍倫貢大學 超導電子材料研究所，澳大利亞 新南威爾士州北伍倫貢2522)

0 前言

增材制造AM(Additive Manufacturing)利用計算機控制3D數(shù)據(jù)逐層堆積材料，是基于離散—堆積原理的高效凈成形技術[1]。相比于傳統(tǒng)的成形技術(鑄造、鍛造等)，AM突出了計算機對制造過程的精確控制，將零件制造細化到每一個位置的每一個點，能夠實現(xiàn)自動化工件精確成形，是制造業(yè)的革命性突破。20世紀以來，由于工業(yè)的迅猛發(fā)展，AM已經(jīng)從基于粘結原理的成形技術逐步發(fā)展成為以紫外光作為熱源的光固化成形技術。如今，AM已經(jīng)發(fā)展成以激光、電子束、電弧等為熱源的高能束熔化成形技術，實現(xiàn)了復雜金屬構件的低成本、快速制造[2-4]。AM最大的優(yōu)勢在于可以有效減少工序、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、柔性化程度高并能實現(xiàn)智能化生產(chǎn)，尤其適合小批量、個性化的結構件生產(chǎn)制造。由此，越是形狀復雜、原材料價格昂貴的產(chǎn)品，越能體現(xiàn)出其高效快速成形的優(yōu)勢[5]。AM在能源化工、生物醫(yī)學、航天航空等領域展現(xiàn)出了十分廣闊的應用前景。

近年來，研究人員對AM過程的工藝優(yōu)化、應力場模擬、實時監(jiān)控等開展了大量的研究工作[6]。德國在對選擇性激光燒結的研究上已經(jīng)取得很大的成就，其主要應用于發(fā)動機的燃燒部分和渦輪葉片[7]。瑞典在電子束熔融技術的研究上位于世界前列，利用高能電子束，制造出了高精度、高度密集的3D構件[8]。美國的3D打印技術發(fā)展迅猛，不僅大大提升了材料的使用壽命，而且減少了零部件使用的數(shù)量，從而降低了材料的制造成本[9]。我國在增材制造技術方面也取得了一定的成果，但相比于以上國家還存在一定的差距，仍然受到原材料價格和熱源特點的限制[10]，需要科研工作者不斷努力以縮小差距。由于增材制造技術可以直接制造形狀復雜的結構件，且在降低制造成本、縮短周期的同時還能保障產(chǎn)品的質量，故增材制造技術目前已成為學術界的研究熱點，并且已在很多方面得到廣泛應用。未來，科研人員應當致力于將3D打印技術和修復技術更好地融合在一起，以保證大型部件的制造和修復，促進增材制造技術的發(fā)展和應用，從而進一步推動科學技術的繁榮進步[11-12]。

AM技術按熱源，可分為電子束、電弧和激光等3類。以電子束為熱源的AM技術因存在缺陷而無法實現(xiàn)某些特定結構件的成形制造，即便可以實現(xiàn)成形，其使用的原材料和時間成本都很高[13]，存在的不足之處有：(1)對于電子束為熱源進行生產(chǎn)時所需的真空環(huán)境而言，爐體尺寸在很大程度上限制了結構件尺寸；(2)金屬粉基的電子束增材制造原材料成本較高、利用率較低、易受污染等問題，提高了制造成本[14-15]?；谏鲜鲈?，文章不再討論以電子束為熱源的AM技術，而主要針對電弧和激光為熱源的AM技術展開論述并進行比較，總結了近年來學者們對電弧及激光增材制造的研究和應用，及其未來在工業(yè)制造領域的發(fā)展趨勢。

1 電弧增材制造研究現(xiàn)狀

絲材電弧增材制造WAAM(Wire Arc Additive Manufacture)屬于金屬增材制造技術的一種，其使用電弧作為熱源來熔化絲材，根據(jù)設定好的路徑在基板上逐層堆焊成形[16]。WAAM具有的優(yōu)點是：(1)成型效率高；(2)對材料利用率較高；(3)對零件尺寸的限制相對較少；(4)成形件是由全焊縫金屬構成，力學性能優(yōu)異，致密性較高。該技術未來將是引領裝備制造業(yè)的主要發(fā)展方向[17]。在增材制造技術發(fā)展的早期，WAAM并沒有引起社會的關注，直到20世紀80、90 年代，隨著計算機技術和數(shù)控技術的發(fā)展，在生產(chǎn)大型復雜結構件時，WAAM技術與數(shù)控技術的結合展現(xiàn)出了極大優(yōu)勢，并且在生產(chǎn)效率及工件性能方面占有一些優(yōu)勢。截至目前，WAAM技術研究熱點集中于WAAM成形過程中的精度控制、成形件的顯微組織和力學性能等幾個方面。

1.1 WAAM成形精度控制

采用WAAM技術直接成形金屬件的構思可追溯到20 世紀80年代，德國學者通過埋弧焊的方法堆積成形了大型圓柱容器，其具有良好的屈服強度、抗拉強度和韌性等。然而該方法只能適用于制造大型結構件且成形精度非常低[18]。而WAAM技術采用電弧作為熱源，所以在增材制造過程中形成的熔池較大，且存在電源特性的作用和電弧吹力等干擾因素，形成了不穩(wěn)定的熔池，要求WAAM成形時各個單層的組織、成分、性能等有優(yōu)異的重復再現(xiàn)性。此外，隨著堆焊層數(shù)的增加，其存在散熱條件差、工件熱積累較嚴重等問題，增加了熔池凝固所需的時間，導致熔池形狀、成形尺寸及邊緣形貌難以控制。在WAAM發(fā)展過程中有一個重要階段，英國諾丁漢大學提出3D焊接成形方法，利用機器人操作成形金屬件，并通過紅外測溫裝置對成形過程中的熱輸入量進行控制，從而達到降低成形件表面粗糙度的目的。具體操作是在當測溫裝置顯示溫度過高時停止電弧熱輸入，等待溫度降低到可行范圍時再進行堆積，如此便可改善WAAM過程的成形精度，但隨之而來的是生產(chǎn)效率的大大降低[19]。此外，Kwak等[20]建立了利用熔化極惰性氣體保護焊MIG(Metal Inter Gas Welding)焊槍進行堆焊成形的控制系統(tǒng)，通過兩套光傳感器對工件熔覆層的形貌特征進行實時監(jiān)測，并采用紅外相機對成形件表面溫度進行在線監(jiān)測，完善了雙輸入輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

考慮到WAAM技術是一個多變量非線性過程，干擾因素包括電弧電流、電壓的靈敏度、散熱條件和層間溫度等，固定參數(shù)的傳統(tǒng)比例—積分—微分控制器PID(Proportional Integral Differentiation)不能始終保持最優(yōu)的控制效果[21]，因此需要一個參數(shù)自調節(jié)的控制器?；谏鲜鲈颍醒芯咳藛T開發(fā)了單一神經(jīng)元控制器用于層寬控制。通過對實際輸出和期望輸出的監(jiān)控，形成了一個自調控系統(tǒng)[22]。其中，控制器的輸入是檢測到的層寬與給定層寬之間的偏移量、輸出是行程速度、層寬檢測元件為被動視覺傳感器，從而構成了WAAM層寬控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.2 WAAM組織性能研究

1.2.1 WAAM顯微組織研究

由于WAAM技術制造的零件在成形過程中不斷經(jīng)歷熱循環(huán)，使成形件的顯微組織與鑄造、鍛造形成的存在較大差異[23]。含V的TiAl合金采用WAAM技術成形后的宏觀和微觀組織如圖1、2所示。橫截面的宏觀結構以層狀為主，且沿焊接方向有明顯的拉長晶粒，如圖1所示。顯然，層帶的數(shù)量遠遠少于沉積層的數(shù)量，因為層帶來源于前沉積層的不完全重熔以及在隨后的沉積過程中發(fā)生的重復熱循環(huán)。此外，晶粒表現(xiàn)出不同的對比度，可歸因于晶粒取向的各向異性。頂部區(qū)域的顯微結構如圖2(a)所示，由α2/γ層狀結構和白色枝晶γ結構組成。在圖2(b)所示的中間區(qū)域，可以根據(jù)不同的晶粒形態(tài)清楚地分辨層結構。圖2(c)表明層狀α2/γ結構以不同的取向分布在晶粒內部，從晶界上可以清楚地觀察到幾個細小的γ板條，帶區(qū)顯微組織為全層狀結構[24]。一系列變化揭示了頂區(qū)和層帶微觀結構的差異可能很大程度上與熱過程和凝固過程有密切關系。

圖1 含V的TiAl合金在x-z 平面上的宏觀結構圖[23]

圖2 含V 的TiAl 合金在x-z 平面上的微觀結構圖[23]

所有AM技術必須處理未熔合、開裂、汽化、高孔隙率、變形和殘余應力等問題。其中殘余應力是決定組件性能的最關鍵因素之一[25]。對于較大的零件生產(chǎn)，首選WAAM或激光熔覆技術LC(Laser Cladding)，Szost等[26]研究了兩種不同的AM工藝制備試樣時在顯微組織和力學性能方面的差異，如圖3、4所示。顯然，在WAAM樣品中，熱影響區(qū)HAZ(Heat Affected Zone)的深度和寬度要大得多。因其基板具有相似的幾何結構和熱性能，這種差異主要歸因于熱輸入不同和在WAAM試樣中熔池大小的變化。LC和WAAM樣品都顯示出定向生長的趨勢，特征是底部區(qū)域出現(xiàn)柱狀晶。但是，很容易發(fā)現(xiàn)在WAAM樣品中，層帶要厚得多，這與每個沉積層形成的局部熱影響區(qū)中的組織形態(tài)是一致的。相較而言，WAAM技術比LC技術應用更為廣泛。應注意的是，由WAAM和LC生產(chǎn)的Ti-6Al-4V樣品的微觀結構不同于鑄態(tài)和鍛造態(tài)，鍛制合金在軋制方向上通常表現(xiàn)為等軸α-β細長晶粒，而鑄態(tài)合金通常表現(xiàn)為非常粗的β晶粒，且尺寸分布不均勻?？梢?，在某些特定使用條件下，AM技術在顯微組織和零件尺寸上比傳統(tǒng)工藝鑄造等更具優(yōu)越性。

圖3 熔合區(qū)和熱影響區(qū)顯微結構圖[26]

圖4 熔池局部顯微組織結構圖[26]

1.2.2 WAAM力學性能研究

近年來，AM在制造鎳鈦合金方面獲得了巨大的進步[27]，目標在于盡量減少與傳統(tǒng)制造方法相關的后加工操作和時間。但是，由于制造成本高、材料利用率低，粉末增材制造技術在工業(yè)上的商業(yè)應用受到限制，更多的研究集中于WAAM如何進一步降低材料成本和減小氧化污染。值得注意的是，有研究首次采用WAAM技術成功制備了富鎳的鎳鈦合金[28]，沉積過程中的非均勻熱歷程對相的演化有顯著的影響，導致了明顯的各向異性組織。顯微硬度轉變經(jīng)歷了梯度變化，底部、中部、頂部3個區(qū)域的平均硬度分別約為400、500和580 HV。在不同區(qū)域提取的富鎳鎳鈦合金的拉伸性能如圖5所示。由上層到下層，斷裂應力從516.5 MPa 提高到640.8 MPa，應變有所降低，分析下層力學性能不如上層的原因，可能是增材制造過程中底層的材料在與后面的材料熔合的過程中被反復加熱，不均勻的熱輸入過程導致底層材料力學性能相對較差，這也是目前增材制造技術的較大問題所在。

圖5 WAAM制造的富鎳NiTi合金的應力—應變曲線圖[28]

2 激光增材制造研究現(xiàn)狀

激光增材制造LAM(Laser Additive Manufacturing)技術是以激光為熱源的增材制造技術，激光束具有能量密度高的特點，能夠實現(xiàn)一些難加工金屬的成形。LAM技術是一項結合了計算機軟件、機械、材料、控制等多學科知識的綜合性技術，依據(jù)逐層“堆積”的成形原理快速“打印”出所需零件，該技術徹底改變了傳統(tǒng)的金屬零件制造工藝[29]。相較于WAAM技術，LAM技術在實現(xiàn)材料結構輕量化制造上具有更大的貢獻。迄今為止，激光增材制造技術中發(fā)展比較成熟的工藝有激光熔化沉積技術LMD(Laser Melt Deposition)和激光選區(qū)熔化技術SLM(Selective Laser Melting)。

2.1 激光熔化沉積技術LMD

LMD是一種采用逐層堆焊的形式生產(chǎn)3D復雜零件的制造工藝，該過程通過激光固化噴嘴供給的粉末成形，其幾何結構是由激光與粉末束運動的軌跡決定的，這項技術可以用來修復受損部件，并且制造過程靈活性高，適合制造外形復雜的小批量零件。LMD技術的主要缺點是粉末的利用率相對較低，在某些情況下?lián)p失可能＞5%[30]。由于金屬粉末非常昂貴，且通常不能重復使用，因此是一項巨大的損耗。

近年來，在快速成型和制造領域，新工藝得到了快速發(fā)展。激光3D打印技術是利用計算機輔助設計數(shù)據(jù)直接制作3D實體模型的技術。通過直接沉積金屬粉末，從原型塑料零件轉變?yōu)楣δ荦R全的金屬零件，使零件具有良好的尺寸精度和表面光潔度。為了獲得激光處理的納米結構材料，學者們進行了大量的研究。Li等[31]提出激光原位合成誘導納米結構的概念，即用激光技術在金屬表面制備納米復合材料，添加化學元素的尺寸不局限于納米級，其納米化效果主要取決于化學元素對金屬表面的影響。該研究采用激光快速成形技術在TA15鈦合金上熔覆不同的混合粉末，所形成的復合層具有良好的冶金結合、致密的組織和良好的耐磨性。如圖6所示，在涂層上部觀察到了大量較細的塊狀沉淀，這是由于稀釋的作用，大量Ti從基板進入激光熔池，有利于形成TiB棒狀沉淀；需要指出的是，在上層生成團聚納米晶體，一定程度上阻礙了TiB納米棒的生長，形成了精細的微觀結構。圖6(c)表明，在添加了銅的情況下生成了大量的超細納米晶UNS(Ultrafine Nanocrystals)，這些UNS均勻分布在上層基體的某些位置。在圖6(d)的選區(qū)電子衍射圖SAED(Selected Area Electron Diffraction)中觀察到不完全的多晶和非晶相，表明激光熔池完成凝固過程后，大量的非晶相才開始結晶，有利于形成納米晶[32]。獲得的納米顆粒能較好地承受外部法向載荷，表現(xiàn)出良好的塑性、耐磨性和韌性，也能破壞原子平衡態(tài)，增加勢能/自由能，從而提高了微層板的強度和硬度[33]。

圖6 激光快速成形制備納米復合材料的SEM圖[30]

由于LMD技術可以緩和不同材料間的應力，保證材料優(yōu)良的成形性，又可以通過靈活的設計控制成形件組織的分布規(guī)律及性能的變化，為梯度功能材料的制造提供了一種新途徑，既可以綠色、高效地獲得成分呈梯度變化的材料，又可以根據(jù)實際工作環(huán)境和所需要滿足的使用性能來設計制造[34]。目前已有成功的LMD技術應用案例。

2.2 激光選區(qū)熔化技術SLM

SLM技術作為一種相對較新的制造技術，因其具有制造復雜幾何結構零件的能力而極具吸引力[35]。在SLM過程中，利用建模軟件建立1個3D模型，并通過有選擇地逐層熔化粉末來制作3D零件。與傳統(tǒng)的粉末冶金、鑄造等制造方法相比，SLM具有結構復雜、致密化程度高、加工件尺寸精度高等不可替代的優(yōu)勢。如圖7所示，采用該技術可以制造出形狀復雜的結構，如空間曲面多孔結構、輕質點陣夾芯結構、異形復雜型腔結構等。

網(wǎng)格結構通常由蜂窩芯和面板組成，以其極低的密度和顯著的力學性能等優(yōu)點而聞名。一般來說，由于特殊的幾何結構，網(wǎng)格結構的制造過程通常比散裝材料的制造過程復雜。到目前為止，許多傳統(tǒng)的制造工藝，如擠壓、編織、熱壓成型、激光切割等都曾用于金屬和復合材料制造晶格結構[36]。值得注意的是，這些制造工藝不可避免地會引入復雜的模具、高成本和制造缺陷，導致裝配后的網(wǎng)格結構無法達到預期的性能[37]。幸運的是，增材制造的迅速發(fā)展給網(wǎng)格結構的制造帶來了新的活力，因此最近報道了許多由增材制造的網(wǎng)格結構。特別是采用熔融沉積模型、直接金屬沉積、電子束熔化和選擇性激光熔化等方法制備了金屬網(wǎng)格結構。目前，許多網(wǎng)格結構是由不同合金的SLM技術制備的。采用SLM技術制備具有優(yōu)良的機械和驅動性能的3D Kagomé網(wǎng)格結構如圖8所示。Hyun等[38]和Wang等[39]分別從數(shù)值和理論上證明了Kagomé網(wǎng)格結構具有各向同性和優(yōu)越的力學性能，歸因于其對塑性屈曲的巨大抵抗力。其輕量化、優(yōu)越的機械性能和驅動性能使Kagomé網(wǎng)格結構在運輸、民用和航空航天工程中得到了廣泛的應用。

圖7 SLM技術制造的復雜幾何結構零件[35]

圖8 3D Kagomé 網(wǎng)格結構圖[38]

塊狀金屬玻璃BMG(Bulk Metallic Glasses)是近幾十年由于其獨特的力學、物理和化學性質而引起人們長期關注的新型工程材料。然而，由于所需的高冷卻率，導致形成的BMG 部件的復雜性和尺寸受到了限制，因此，探索制造BMG 組件的新技術變得越來越緊迫，Ouyang 等[40]在合適的工藝參數(shù)下制備了一個復雜的零件，3D打印的鐵基BMG 樣品顯微組織中可觀察到非晶態(tài)相，如圖9所示。由此可見，SLM技術是生產(chǎn)非晶態(tài)金屬零件的合適工具。其最大的優(yōu)點是最終部件的尺寸和復雜性本質上是不受限制的[41]。然而，應指出的是，由于形狀復雜、尺寸大而引起的累積殘余應力會破壞結構的整體性。因此，抑制SLM過程中的殘余應力是形成形狀和尺寸不受限制BMG 樣品的關鍵。

LAM技術大多數(shù)選用熔化粉末材料的形式逐步制成零件，由于粉末的利用率相對較低導致生產(chǎn)成本提升，以及有時粉末熔化不均勻造成氣孔、裂紋，是LAM技術目前需要進一步提升的地方。相較于WAAM技術，LAM技術不足之處在于無法生產(chǎn)大型的結構件，但在制造結構復雜的精密構件方面比WAAM技術更具優(yōu)勢，對于結構件的輕量化制造多使用LAM技術，該技術很大程度上推動了航天航空領域發(fā)動機及部分重要構件的發(fā)展。基于LAM技術致密度高、加工精度高，可用于生產(chǎn)制造如梯度功能材料、鐵基BMG 樣品等獨特的新型材料，此優(yōu)勢是WAAM技術無法比擬的。

圖9 鐵基BMG 樣品圖[40]

3 展望

增材制造技術以絲材、金屬粉末等為原料，以激光、電子束、電弧等為熱源的高能束作為刀具，實現(xiàn)金屬零件的高效凈成形。相對于鑄、鍛、焊、粉末冶金、機械加工等傳統(tǒng)的制造技術而言，增材制造技術實現(xiàn)了大尺寸及無模具的零件制造，具有制造周期短、材料利用率高、生產(chǎn)成本低、柔性高效等優(yōu)點，是金屬加工制造業(yè)的巨大進步。依靠自身的技術特點，增材制造技術在加工制造領域得到了廣泛的應用，尤其是激光增材制造技術在航空航天工業(yè)制造中展現(xiàn)出無與倫比的優(yōu)越性。增材制造技術作為一種新興的制造技術，在今后的發(fā)展中應更加注重其中每一種技術之間的差異和各自的發(fā)展，以具體的市場需求作為導向，有針對性地研究、解析關鍵的工藝難點，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)質量，使增材制造技術成為我國產(chǎn)業(yè)轉型中至關重要的工具。