任學(xué)磊，袁濤

北京工業(yè)大學(xué)汽車零部件先進制造技術(shù)工程研究中心 北京 100124

1 序言

增材制造技術(shù)是通過CAD設(shè)計數(shù)據(jù)，采用材料逐層累加的方法制造實體構(gòu)件的技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造技術(shù)應(yīng)用計算機軟件構(gòu)建相應(yīng)的三維模型，規(guī)劃路徑后直接生產(chǎn)，可以快速而精確地制造出各種復(fù)雜零件，大大減少了生產(chǎn)周期，降低了制造成本，減少了人力物力，且通常對環(huán)境友好[2]。當(dāng)前增材制造技術(shù)適用于各種材料，例如金屬、聚合物、陶瓷和混凝土等。尤其是金屬增材制造，作為增材制造領(lǐng)域的研究重點，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車及生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域[3，4]。因此，開展金屬增材制造的研究不僅具有十分重要的理論意義和實用價值，還具有重要的戰(zhàn)略意義[5]。

金屬增材制造一般按照熱源的差別分為三大類：電子束增材制造（Electron Beam Additive Manufacturing，EBAM）、激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）和絲材電弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）。與LAM和EBAM相比，WAAM使用金屬絲作為原料，成本較低，提高了材料沉積效率，避免了外圍粉末回收的過程，有益于身體健康和安全[6]，且與EBAM相比，WAAM不需要在真空環(huán)境下即可工作，大大減少了運行成本，工作環(huán)境不受限制，可適用于大體積的構(gòu)件制造。與LAM相比，能源利用率和制造效率都有很大的改善。由于WAAM相比于其他金屬增材制造技術(shù)，具有制造效率高、設(shè)備成本低、制造形式靈活等特點[7]，因此WAAM在金屬增材制造中具有廣闊的發(fā)展前景。

但是，由于WAAM技術(shù)是一個多參數(shù)耦合作用的復(fù)雜過程，焊接過程中易受各種因素影響，導(dǎo)致缺陷累積，因此使得其應(yīng)用受到了限制。本文調(diào)研了各種適用于WAAM的金屬的組織性能，主要包括：鈦合金、鋁合金和鋼等，分析了目前所遇到的缺陷和挑戰(zhàn)，介紹了當(dāng)前應(yīng)用的WAAM系統(tǒng)，總結(jié)了用于制造過程中和制造后質(zhì)量改進的主要方法，最后提出了未來的研究方向和建議。

2 WAAM系統(tǒng)及材料應(yīng)用

（1）WAAM系統(tǒng) WAAM工藝的起源可以追溯到1925年，發(fā)展至今，WAAM已成為一種有潛力的制造工藝，并且適用于各種金屬材料，如：鈦合金、鋁合金及鋼等。

WAAM技術(shù)的熱源包括：熔化極氣體保護焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW）、鎢極氣體保護焊（Gas Tungsten Arc Welding，GTAW）、等離子弧焊（Plasma Arc Welding，PAW）。WAAM技術(shù)采用電弧作為熱源將金屬絲材熔化，在設(shè)備的操控下，設(shè)備內(nèi)部送絲系統(tǒng)送出的金屬絲會與電弧作用區(qū)域重合，按照給定的CAD模型，規(guī)劃運動路徑和焊接參數(shù)，以實現(xiàn)具有高幾何精度的無缺陷制造[8]。另外，基于制造零件的特定材料屬性和焊接沉積模型，編程軟件提供了自動路徑規(guī)劃和工藝優(yōu)化，以避免潛在工藝引起的缺陷[9]。在制造過程中，機械手和外軸為焊槍提供了精確的運動，從而可以逐層構(gòu)建組件直至成形金屬件。圖1為WAAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意。

圖1 WAAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

（2）常用材料 由于WAAM工藝可適用于各種商用金屬焊絲，制造出各種可靠零件，因此需要了解各種材料的工藝參數(shù)，并對各種常見缺陷的產(chǎn)生原因及強化措施有所了解，下面將重點介紹WAAM中常用金屬的組織性能。

1）鈦合金由于其較高的比強度和優(yōu)異的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天和生物醫(yī)學(xué)的增材制造領(lǐng)域。Yefei Zhou[10]通過對WAAM的Ti-6Al-4V不同沉積方式的成形、力學(xué)性能進行了探究，發(fā)現(xiàn)抗拉強度在一定區(qū)間變化，主要取決于拉伸方向和熱輸入，抗拉強度最高可達到948MPa，伸長率達到了14%。垂直方向的伸長率略高而強度略低。Bintao Wu[11]通過對Ti-6Al-4V的GTAM構(gòu)件進行了耐蝕性、組織和相組成的探究，因為冷卻速度的不同在垂直方向上發(fā)現(xiàn)了大的層狀α晶粒，水平方向上發(fā)現(xiàn)了較小的α′晶粒，因此導(dǎo)致其腐蝕行為的各向異性。E.Brandl[12]等人對WAAM的Ti-6Al-4V鈦合金進行了組織性能的探究，發(fā)現(xiàn)其抗拉強度最高可以達到960MPa，屈服強度最高達到了890MPa，并且經(jīng)過熱處理后抗拉強度和屈服極限分別可達到981MPa和915MPa，其力學(xué)性能完全滿足ASTM鍛造與鑄造的最低標(biāo)準(zhǔn)。

2）鋁合金由于其較高的性價比，同樣是增材制造中被廣泛研究的金屬之一。蔣旗[13]對比了不同工藝下增材制造4043鋁合金，抗拉強度可以達到172MPa，而且沒有明顯的各向異性。孫紅葉[14]對Al-6.3Cu鋁合金電弧增材制造進行了組織性能研究，發(fā)現(xiàn)其抗拉強度可以達到261MPa，屈服強度可以達到123MPa，低于ASTM鍛造的最低標(biāo)準(zhǔn)，但是在經(jīng)過熱處理后，其抗拉強度和屈服強度分別可達到440MPa和350MPa，完全滿足ASTM鍛造的最低標(biāo)準(zhǔn)。

3）還有其他金屬，如：鋼、鎳、鎂等合金都在增材制造中有著廣泛應(yīng)用。由于鎳基高溫合金在550℃以上的溫度時具有出色的強度和抗氧化性，因此廣泛應(yīng)用于航空航天、石化和海洋工業(yè)。迄今為止，相關(guān)科研人員已經(jīng)研究了各種鎳基高溫合金以及各種不銹鋼。這些合金不僅可以用于一般用途，而且還可以用于高強度和高硬度條件，例如工具或其他成形應(yīng)用[15]。與傳統(tǒng)生產(chǎn)的鋼相比，增材制造的鋼表現(xiàn)出不同的微觀結(jié)構(gòu)和析出相，這可能導(dǎo)致力學(xué)性能的變化[16]，所以需要關(guān)注并避免缺陷的產(chǎn)生。

3 工藝缺陷

盡管WAAM的優(yōu)點有很多，但是WAAM制造仍然有一些缺陷需要關(guān)注并解決。這些缺陷包括高孔隙率、高殘余應(yīng)力與變形、開裂和各向異性的力學(xué)性能等。這些是WAAM廣泛應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)。下面將簡要介紹一些常見缺陷。

（1）氣孔 氣孔是增材制造中一個常見的缺陷，嚴(yán)重影響構(gòu)件的力學(xué)性能，因此需要著重注意。氣孔的增加不僅會大幅降低構(gòu)件力學(xué)性能和疲勞強度，更嚴(yán)重的還會導(dǎo)致各向異性和裂紋等缺陷。通常這類缺陷主要是由原材料（焊絲和基板）或者加工過程引起的。

首先，增材制造的原材料表面通常會有一定的表面污染，例如：水分、油脂或者其他一些碳?xì)浠衔?。這些污染物在增材過程中很容易進入到熔池中去，并在凝固后產(chǎn)生氣孔。在增材制造常用材料中，鋁合金尤其容易產(chǎn)生這一缺陷，這主要是由于氫在熔融和固態(tài)鋁合金中溶解度差異巨大導(dǎo)致的[17]，由此產(chǎn)生的缺陷通常為球形氣孔，如圖2a所示。其次在加工過程中，因增材工藝而導(dǎo)致熔合不充分等造成的氣孔一般是非球形的，如圖2b、c所示。

圖2 焊縫氣孔形貌[18]

（2）殘余應(yīng)力與應(yīng)變 殘余應(yīng)力與應(yīng)變是WAAM工藝固有的缺陷，像其他增材制造工藝一樣，是無法避免的。主要是增材制造過程當(dāng)中溫度的驟變，由此產(chǎn)生熱應(yīng)變和殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力會導(dǎo)致構(gòu)件變形、尺寸精度下降，而且會致使構(gòu)件的疲勞性能和抗斷裂性能降低[19]。因此，對殘余應(yīng)力變化的監(jiān)測與控制是增材制造領(lǐng)域中的重要挑戰(zhàn)。

殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因一方面是因為在熱源加熱過程中，局部加熱和冷卻引起的空間溫度梯度。另一方面是在這種加熱和冷卻過程中，導(dǎo)致的材料膨脹和收縮。而且很多工藝參數(shù)都對殘余應(yīng)力和變形有影響，如：環(huán)境溫度、約束條件、熔覆速度及焊接電流等。目前，已經(jīng)有可以有效減輕殘余應(yīng)力和變形的方法，這些方法將在后文有所介紹。

（3）裂紋 WAAM中的裂紋主要分為凝固裂紋和液化裂紋。前者主要取決于材料屬性，通常是由于沉積層在凝固過程中受到了阻礙或者是由熔池中的高應(yīng)變引起的，后者主要分布在糊狀區(qū)或部分熔化區(qū)，在構(gòu)件凝固過程中部分熔化區(qū)由于沉積層的收縮會受到收縮力的影響，由此可能會產(chǎn)生液化裂紋。尤其是在WAAM的異種金屬制造中，由于材料屬性的不同，更容易產(chǎn)生裂紋。

4 優(yōu)化處理研究現(xiàn)狀

如前所述，WAAM中還存在著其他許多缺陷，因此WAAM結(jié)構(gòu)件通常需要采取一定的后處理或者輔助工藝來改善構(gòu)件性能，減小甚至消除缺陷。目前，已經(jīng)有眾多學(xué)者對這一領(lǐng)域進行了研究，下面將重點闡述一些工藝手段。

（1）脈沖電流 施加脈沖電流是一種廣泛應(yīng)用于改善增材構(gòu)件組織性能的一種手段，脈沖電流一方面基于振蕩效果促進了熔池流動，這可能導(dǎo)致熔池糊狀區(qū)發(fā)生枝晶破碎，使部分熔化區(qū)發(fā)生晶粒脫落，從而促進了晶粒細(xì)化，改善了構(gòu)件組織性能。另一方面在脈沖高電流階段控制熔滴分離，低電流階段維持電弧穩(wěn)定[20]，熱輸入減少，加快冷卻速度，也優(yōu)化了組織性能。脈沖電流基本適用于各種金屬增材制造。M.Balasubramanian[21]探究了不同脈沖電流對鈦合金顯微組織與力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖電流促進了鈦合金針狀馬氏體的形成，增加了等軸晶的形成，使鈦合金的硬度達到了490HV。Mingxuan Yang[22]等人探究了高頻電流對Ti-6Al-4V焊接過程中電弧行為的影響，發(fā)現(xiàn)高脈沖電流產(chǎn)生了電弧收縮，使能量更加集中，增大了電弧力，促進了晶粒細(xì)化，使其力學(xué)性能得到了很大的提升。

（2）熱處理 熱處理是WAAM中廣泛應(yīng)用的另一種強化手段，熱處理可以有效減小殘余應(yīng)力，增強構(gòu)件力學(xué)性能。然而對于不同的材料或增材工藝有著不同的熱處理工藝，而不同的熱處理工藝會大大改變內(nèi)部的組織特征及析出相，從而顯著影響組織性能。Jianglong Gu[23]探究了T6熱處理對鋁合金的增材結(jié)構(gòu)件的組織性能影響，發(fā)現(xiàn)熱處理后，鋁合金的力學(xué)性能得到了大幅提高，晶粒直徑更加均勻，各向異性明顯減輕，抗拉強度和屈服強度分別達到了450MPa和305MPa，而且探究發(fā)現(xiàn)，其主要的強化機制是沉積強化。X. Fang[24]等人通過對比A357鋁合金薄壁有無熱處理的影響，發(fā)現(xiàn)熱處理后，構(gòu)件內(nèi)的氣孔數(shù)量明顯減少，強度和伸長率在各方向上近似同性，顯著提升了顯微硬度和強度。使之達到了鑄件的最低要求。但是該技術(shù)也有一定的弊端，會導(dǎo)致晶粒變得粗大，不僅增大氣孔還會導(dǎo)致少數(shù)材料被破壞，因此，在使用熱處理工藝時，需要考慮具體的材料屬性與應(yīng)用。

（3）層間軋制 已有研究表明，層間冷軋不僅可以降低殘余應(yīng)力、變形[25]，還可以明顯改善構(gòu)件的各向異性。層間軋制（設(shè)備見圖3）不僅可以有效地細(xì)化晶粒，它可以有效降低鈦合金、鋁合金、鋼等增材構(gòu)件的各向異性和殘余應(yīng)力。Jianglong Gu探究了不同載荷下（15kN、30kN和45kN）的層間軋制對鋁合金組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)在45kN的載荷下，抗拉強度提高了20%，屈服強度提高了87%，并且發(fā)現(xiàn)主要的強化機理是層間軋制增加了高密度位錯，并且能破碎粗大的柱狀晶組織，顯著提高了構(gòu)件硬度和強度。但是層間軋制工藝的使用僅適用于直壁等簡單形狀構(gòu)件，不適用曲面或更復(fù)雜、不規(guī)則的構(gòu)件，且效率較低，有一定的局限性。

圖3 層間軋制設(shè)備

5 結(jié)束語

由于金屬電弧增材制造的飛速發(fā)展，工藝的穩(wěn)定性，缺陷的控制、消除，以及生產(chǎn)具有高質(zhì)量的力學(xué)性能構(gòu)件已成為這一領(lǐng)域的關(guān)鍵研究重點，因此對材料性質(zhì)的探究，制造過程中的監(jiān)測控制和后處理變得至關(guān)重要。通過對WAAM工藝的技術(shù)發(fā)展進行部分回顧，重點闡述了材料性能、工藝缺陷和改善方法。雖然這些研究克服了WAAM中的一些挑戰(zhàn)，但還有很大的改進空間，由此可以得出一些對未來高質(zhì)量、無缺陷構(gòu)件制造技術(shù)的展望。

1）材料成分與微觀組織決定了構(gòu)件的性能，對制造過程中微觀結(jié)構(gòu)的演變、推測與控制十分重要，但由于WAAM工藝的復(fù)雜性，難以對其過程進行詳細(xì)觀測，因此有限元分析的方法變得十分重要。通過計算機仿真來對制造過程進行預(yù)測，建立“材料屬性-制造工藝-微觀組織-力學(xué)性能”的一般規(guī)律。

2）進一步優(yōu)化WAAM設(shè)備（如焊接機器人、數(shù)控系統(tǒng)等），提高構(gòu)件尺寸精度，結(jié)合仿真模擬確定最優(yōu)參數(shù)，以制造性能最佳的零件。還應(yīng)建立功能更加強大與完善的WAAM系統(tǒng)，做到“制造-加工”一體化，在制造過程中即進行零件加工，減少甚至無需后處理，節(jié)約時間，增大原材料的成品工件轉(zhuǎn)換率。