溫東旭 熊逸博 顏佩智 鄭志鎮(zhèn) 李建軍

(華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

關(guān)鍵字：大型金屬零件；電弧熔絲增材；復(fù)合制造技術(shù)；控形控性

1 大型金屬零件電弧熔絲增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展

1.1 大型金屬零件制造技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

大型金屬零件在航空、航天、核電、化工、艦船等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，常被用于高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、變載荷等極苛刻服役環(huán)境條件下的關(guān)鍵承力構(gòu)件[1]。為了保證零件組織與性能的一致性，國內(nèi)外主要采用鑄造或者鍛造工藝成形制造[2]。

由于這些零件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用鑄造或自由鍛工藝制造，成分偏析嚴(yán)重，晶粒粗大，不同區(qū)域的性能差異顯著，而且易出現(xiàn)縮松、裂紋等缺陷[3]。對(duì)于淺層鑄鍛缺陷，通過刨除后進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，生產(chǎn)效率和材料利用率較低，而深層鑄鍛缺陷去除難度較大，嚴(yán)重影響大型金屬零件的服役性能。

采用模鍛工藝成形，由于存在枝丫、筋條等難成形局部結(jié)構(gòu)，需要經(jīng)過多道次的鐓粗、拍扁、拔長等自由鍛或胎模鍛完成制坯，對(duì)于復(fù)雜形狀還需要增加成形火次[4]。在模鍛成形階段，大型金屬零件復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致變形均勻性差，組織均勻性難以保證，晶粒度級(jí)差超差嚴(yán)重。

通過上述分析可見，采用傳統(tǒng)制造工藝高品質(zhì)成形大型金屬零件存在諸多挑戰(zhàn)，大型金屬零件鑄造/鍛造/模鍛工藝復(fù)雜、流程長，多次加熱-變形-冷卻過程的循環(huán)進(jìn)行，使得大型金屬零件的性能和形狀難以控制，材料利用率低，制造周期長，生產(chǎn)成本居高不下。

1.2 大型金屬零件電弧熔絲增材制造工藝的應(yīng)用與研究

金屬材料增材制造技術(shù)是近二十年來迅速發(fā)展起來的一種快速近凈成形制造技術(shù)，代表著國際先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的前沿方向，將對(duì)整個(gè)制造體系帶來全面深刻變革[5]。世界上的主要發(fā)達(dá)國家均將增材制造技術(shù)作為“再工業(yè)化”、“重新奪回制造業(yè)”、“重振經(jīng)濟(jì)”的國家戰(zhàn)略。我國已將增材制造納入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持領(lǐng)域，并已在“十三五”和“十四五”重點(diǎn)專項(xiàng)中連續(xù)支持。

按增材熱源類型，增材制造技術(shù)可分為激光、電子束和電弧三類方式[6]。其中，電弧熔絲增材制造可采用傳統(tǒng)常用焊接電源，以電弧為熱源將金屬絲材熔化逐層堆積成形，增材效率最高已超過20 kg/h，而基于鋪粉的激光/電子束增材效率尚未突破1 kg/h[7]。同時(shí)，電弧熔絲增材制造金屬零件可在開放環(huán)境下進(jìn)行，基本不受零件尺寸約束，可成形大型金屬零件，擁有其他增材制造技術(shù)無法比擬的效率和成本優(yōu)勢[8]，典型電弧熔絲增材金屬零件見圖1。

(a)Ti-6Al-4V翼梁[7] (b)螺旋槳[9]

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)大型金屬零件電弧熔絲增材制造過程中的控形控性難題，開展了大量研究。余圣甫等[10]研究了適用于電弧熔絲增材的空間曲面切片方法和空間路徑規(guī)劃，并成功將零件尺寸誤差控制在±1 mm和±0.5°。張廣軍等[11-12]分析了層間冷卻時(shí)間和成形工藝參數(shù)對(duì)零件表面質(zhì)量和成形尺寸精度的影響，并開發(fā)了一種被動(dòng)視覺傳感器系統(tǒng)以控制堆積層高度。孫清潔等[13]討論了電弧熔絲增材制造Inconel 625合金成形件不同位置的微觀組織和性能差異。林建軍等[14]分別采用脈沖和連續(xù)等離子弧作為熱源，增材制造Ti-6Al-4V合金零件，揭示了增材制造逐層堆積過程中多重?zé)嵫h(huán)效應(yīng)對(duì)合金微觀組織和力學(xué)性能演變的影響。何天英等[15]研制了一種3臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作的五電弧增材制造裝備，如圖2所示，該套裝備大幅提高了增材效率，且最終增材構(gòu)件的成形精度可控制在±0.65 mm之內(nèi)。此外，還對(duì)鋁合金、鈦合金、鎳基合金、高強(qiáng)鋼和其他金屬間化合物等多種電弧熔絲增材金屬零件的表面形貌、微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究。

圖2 多軸聯(lián)動(dòng)5絲材協(xié)同電弧增材制造裝備[15]

通過上述研究，可以發(fā)現(xiàn)電弧熔絲增材制造獲得的金屬零件微觀組織主要以鑄態(tài)組織為主，成形過程中的熔池尺寸、動(dòng)態(tài)特性等顯著受到送絲速度、增材速度、電流、電壓和保護(hù)氣體流量等成形工藝參數(shù)的影響[16-18]。由逐層堆積帶來的溫度梯度和熱循環(huán)效應(yīng)，導(dǎo)致增材層幾何尺寸、內(nèi)部微觀組織和元素分布的調(diào)控難度大，不均勻的微觀組織和顯著的各向異性還將進(jìn)一步影響成形零件的力學(xué)性能。此外，堆積層間接合強(qiáng)度較弱，內(nèi)部殘余應(yīng)力較大，易存在開裂、縮孔等宏微觀缺陷，幾何形狀精度和表面質(zhì)量也有待提高[19-20]。因此，在當(dāng)前大型金屬零件成形制造研究中，改善電弧熔絲增材制造技術(shù)控形控性能力和提高大型金屬零件綜合力學(xué)性能已成為熱點(diǎn)研究方向。電弧熔絲增材制造融合傳統(tǒng)塑性成形工藝在改善鑄態(tài)組織和提高成形精度方面極具潛力，并得到迅速發(fā)展。

2 電弧熔絲增材復(fù)合制造技術(shù)的發(fā)展方向

2.1 鍛造復(fù)合增材制造技術(shù)

鍛造復(fù)合增材制造技術(shù)是通過電弧熔絲增材制造出預(yù)鍛件，再對(duì)其進(jìn)行鍛造得到終鍛件，或者在增材的過程中同步進(jìn)行鍛造制作工件的一種復(fù)合制造工藝。在鍛造過程中，工件內(nèi)部發(fā)生塑性變形，增材過程中產(chǎn)生的缺陷被消除，優(yōu)化了材料的組織，改善了力學(xué)性能。

Bambach等[21]設(shè)計(jì)了兩種鍛造復(fù)合電弧熔絲增材制造的Ti-6Al-4V合金零件的工藝路線，一是電弧增材制造預(yù)鍛件，經(jīng)鍛造后形成終鍛件，二是先鍛造預(yù)成形，利用電弧增材添加最終零件的特征(如圖3所示)，研究發(fā)現(xiàn)兩種工藝路線的產(chǎn)量和靈活性都高于傳統(tǒng)鍛造。Valdemar等[22]設(shè)計(jì)了一種熱鍛電弧熔絲增材制造(HF-WAAM)裝置，如圖4所示，通過這個(gè)裝置可以實(shí)現(xiàn)在電弧熔絲增材過程中，在材料沉積后立即同步進(jìn)行局部鍛造，在高溫下發(fā)生原位塑性變形，并且該裝置的不同輸入量可以獨(dú)立控制，可以運(yùn)用于常規(guī)電弧熔絲增材制造使用的多軸機(jī)器人或者三軸工作臺(tái)中。熊逸博等[23]對(duì)電弧熔絲增材制造300M鋼塊體采用了多向鍛造的工藝，對(duì)300M鋼增材塊體進(jìn)行了三個(gè)方向的鍛造，多向鍛造工藝示意圖如圖5所示。Zhong Y研究團(tuán)隊(duì)[24]在鍛造成形的核電主管道上增材出多個(gè)316L不銹鋼管嘴，如圖6所示，并發(fā)現(xiàn)增材制造的管嘴的高溫和常溫拉伸性能均遠(yuǎn)高于鍛態(tài)的ASTM A370標(biāo)準(zhǔn)，滿足使用要求。孫朝遠(yuǎn)等[25]采用電弧增材制造的方法在滑軌鍛件上增材出工藝凸臺(tái)，接著對(duì)構(gòu)件進(jìn)行整體鍛造得到最終零件，如圖7所示。結(jié)果表明，構(gòu)件充填完整，且晶粒細(xì)小。

圖3 先鍛造預(yù)成形再增材的Ti-6Al-4V合金零件[21]

圖4 熱鍛電弧熔絲增材制造(HF-WAAM)多進(jìn)給裝置圖[22]

圖5 多向鍛造工藝示意圖[23]

圖6 核電主管道上增材的316L不銹鋼管嘴[24]

圖7 滑軌上增材后及鍛后的工藝凸臺(tái)[25]

鍛造復(fù)合增材制造技術(shù)結(jié)合了電弧熔絲增材制造和鍛造的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了兩者的不足，通過電弧熔絲增材制造技術(shù)有效地提高了生產(chǎn)效率，減少了材料的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)通過鍛造技術(shù)改善工件的力學(xué)性能，提高了工件的質(zhì)量。

2.2 軋制復(fù)合增材制造技術(shù)

軋制作為一種塑性加工工藝，通過軋輥對(duì)增材工件表面施加機(jī)械力，使工件產(chǎn)生塑性變形，形成一定的強(qiáng)化層，起到細(xì)化晶粒，消除缺陷的作用，從而提高電弧熔絲增材工件的力學(xué)性能。

Colegrove等[26]在電弧熔絲增材制造過程中引入層間冷軋變形，首先通過電弧熔絲增材設(shè)備沉積一層，待沉積層冷卻至室溫后，對(duì)沉積層進(jìn)行冷軋變形，之后再沉積下一層。軋制復(fù)合增材制造的設(shè)備示意圖如圖8所示，該設(shè)備通過液壓裝置，可以控制冷軋變形過程中的壓力大小。Donoghue等[27]同樣采用了層間軋制工藝，研究了不同冷軋工藝對(duì)于Ti-6Al-4V合金組織和性能的影響，結(jié)果表明，在層間僅施加8%～20%的軋制壓下量就可以減弱織構(gòu)異性，且隨著軋制壓力增大，β相晶粒細(xì)化顯著，并且發(fā)現(xiàn)每層軋制間存在協(xié)同優(yōu)勢。Zhang H O等[28]開發(fā)了一項(xiàng)微區(qū)原位鍛造復(fù)合電弧熔絲增材制造(HRAM)技術(shù)，運(yùn)用該方法可以在一個(gè)增材制造單元中，同時(shí)完成自由曲面沉積和微軋制兩個(gè)工作過程，與層間軋制不同的是，沉積金屬是由微軋輥跟隨焊槍同步進(jìn)行軋制。由于微軋輥與焊槍距離短，沉積金屬仍具有較高溫度，因此認(rèn)為是熱軋引導(dǎo)金屬沉積，裝置示意圖如圖9所示。

圖8 軋制復(fù)合增材設(shè)備示意圖[26]

軋制復(fù)合增材制造技術(shù)中軋制溫度、軋制壓力的大小和軋制壓下量等因素會(huì)對(duì)增材工件的組織和性能產(chǎn)生顯著影響，因此在實(shí)際的增材制造過程中要綜合考慮，選擇最優(yōu)的軋制工藝。

圖9 微區(qū)原位軋制復(fù)合電弧熔絲增材制造裝置示意圖[28]Figure 9 Schematic diagram of micro-area in-situ rollingcompound arc fuse additive manufacturing device圖10 大型隨焊錘擊電弧熔絲增材裝備[29]Figure 10 Large-scale hammering arc fuse additiveequipment while welding

2.3 錘擊復(fù)合增材制造技術(shù)

錘擊復(fù)合增材制造技術(shù)是在電弧熔絲增材過程中，通過在層間施加一定的瞬時(shí)沖擊力，使工件表層產(chǎn)生塑性變形，改善材料內(nèi)部組織狀態(tài)，使增材工件的表面產(chǎn)生強(qiáng)化層，從而提高工件的力學(xué)性能。

權(quán)國政等[29]設(shè)計(jì)一套大型隨焊錘擊電弧熔絲增材裝備(如圖10所示)，并研究了錘擊介入溫度對(duì)增材構(gòu)件殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錘擊介入溫度為650℃時(shí)，既能保證沉積層具有良好的形貌，還能消除其內(nèi)部的殘余應(yīng)力。Xiong X C等[30]設(shè)計(jì)了一種隨焊錘擊(WTHP)的工藝，即在電弧熔絲增材制造過程中，在距離焊槍一定距離的位置施加機(jī)械錘擊，兩個(gè)工作過程相互獨(dú)立，錘頭有球形和平面兩種形狀，如圖11所示。胡超雄[31]設(shè)計(jì)了一種基于壓電致動(dòng)的微錘鍛系統(tǒng)，如圖12所示，可以實(shí)現(xiàn)電弧熔絲增材過程中進(jìn)行隨焊錘鍛，與冷卻后錘擊不同，該系統(tǒng)通過錘擊激振熔池，促進(jìn)液態(tài)金屬熔池對(duì)流，起到破碎枝晶、細(xì)化晶粒的作用。經(jīng)試驗(yàn)測試，隨著行走速度的增大，錘擊力保持穩(wěn)定，因此可以應(yīng)用于高速電弧熔絲增材制造。

圖11 配備隨焊錘擊系統(tǒng)的電弧熔絲增材設(shè)備和兩種形狀的錘頭[30]

圖12 基于壓電致動(dòng)的微錘鍛系統(tǒng)[31]

錘擊復(fù)合增材制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為瞬時(shí)沖擊力大，自由度高。但瞬時(shí)沖擊力大也會(huì)提高成形控制的難度，并且由于受錘頭形狀的限制，不同增材區(qū)域受到錘擊的程度不同，導(dǎo)致產(chǎn)生不同程度塑性變形，因此對(duì)層間錘擊的精度控制是保證增材區(qū)域成形性能的關(guān)鍵。

2.4 超聲沖擊復(fù)合增材制造技術(shù)

超聲沖擊復(fù)合增材制造技術(shù)在增材過程中引入超聲沖擊，通過超聲沖擊帶來的塑性變形和超聲場對(duì)熔池金屬流動(dòng)和凝固結(jié)晶過程的影響，調(diào)控增材工件表面的組織和性能，從而起到優(yōu)化組織和提高性能的作用。

何智[32]研究了超聲沖擊對(duì)電弧熔絲增材TC4鈦合金構(gòu)件組織和性能的影響，并且分別研究了超聲沖擊過程中移動(dòng)速度、振幅和沖擊次數(shù)的影響。Sun L B等[33]在電弧熔絲增材制造低碳鋼薄壁件工藝中引入了了層間超聲沖擊強(qiáng)化，如圖13所示，采用的是單點(diǎn)連續(xù)沖擊的方法，研究了超聲沖擊對(duì)于工件微觀結(jié)構(gòu)和有效深度的影響。與層間超聲沖擊不同，楊冬青等[34]采用了超聲沖擊和電弧熔絲增材制造同步進(jìn)行的工藝，裝置及示意圖如圖14所示，該裝置將超聲沖擊機(jī)與增材設(shè)備通過夾具聯(lián)合，在電弧熔絲增材的過程中，超聲沖擊的頂針對(duì)準(zhǔn)并垂直于沉積層，在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中沖擊沉積層表面。

圖13 薄壁件沉積和層間超聲沖擊強(qiáng)化示意圖[33]

圖14 超聲沖擊機(jī)與增材制造設(shè)備聯(lián)合裝置[34]

在電弧熔絲增材制造中引入超聲沖擊，其能力、振幅、沖擊次數(shù)等參數(shù)不僅促進(jìn)了工件表面產(chǎn)生應(yīng)力強(qiáng)化層，對(duì)增材構(gòu)件的層間堆積階段的微觀組織演化和性能也產(chǎn)生影響，在實(shí)際的增材制造中需要綜合研究和考慮。

3 復(fù)合制造技術(shù)的形性調(diào)控研究

3.1 復(fù)合成形構(gòu)件的控形方法

為了提高復(fù)合成形構(gòu)件的成形精度，國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)復(fù)合成形過程中構(gòu)件尺寸的實(shí)時(shí)在線檢測與成形精度調(diào)控技術(shù)進(jìn)行了研究。視覺傳感技術(shù)具有低成本、高信息量等優(yōu)點(diǎn)，因此視覺實(shí)時(shí)檢測與閉環(huán)控制是提高電弧增材制造成形精度和穩(wěn)定性的有效方式之一。Xiong J等[35]設(shè)計(jì)了一種由雙棱鏡和攝像機(jī)組成的虛擬雙目視覺傳感系統(tǒng)，如圖15所示，該傳感系統(tǒng)的檢測誤差小于3%。同時(shí)設(shè)計(jì)了模糊智能控制器來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電弧電流，使每層熔池寬度保持一致，提高了沉積層的成形精度。Xia C Y等[36]采用被動(dòng)視覺傳感器采集電弧制造過程中的熔池尺寸信息，基于ARX動(dòng)態(tài)模型提出了一種模型預(yù)測控制策略，通過在線調(diào)節(jié)成形電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧增材制造過程中尺寸的控制。Comas T F等[37]提出了一種基于低光敏傳感器的檢測系統(tǒng)，結(jié)合圖像分析方法，該檢測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)在線檢測焊縫的形貌和尺寸。

圖15 熔池傳感與控制系統(tǒng)的原理圖[35]

紅外測溫裝置可以對(duì)電弧增材制造過程中的溫度場進(jìn)行檢測，從而對(duì)熱輸入和熱擴(kuò)散進(jìn)行控制，提高成形件的表面質(zhì)量。Xiong Y B等[38]通過紅外熱成像儀得到電弧增材過程中直壁件的溫度場，并發(fā)現(xiàn)隨著層間溫度的升高，直壁件的表面波紋度先下降后上升，當(dāng)層間溫度為200℃時(shí)，可以獲得適中寬度和最小表面波紋度的增材直壁件，其寬度和表面波紋度分別為7.15 mm和0.47 mm。Yang D Q等[39]也利用紅外熱成像儀獲得了直壁件的表面溫度場，如圖16所示，并發(fā)現(xiàn)適當(dāng)延長層間冷卻時(shí)間可顯著提高直壁件的成形精度。

(a)沉積過程

電參數(shù)傳感器可通過實(shí)時(shí)檢測電弧增材制造過程中的電流和電壓信號(hào)，從而間接反映電弧成形過程的穩(wěn)定性。Bonaccorso F等[40]利用弧壓傳感器采集電弧增材制造過程中弧壓的變化，通過改變送絲速度對(duì)弧壓進(jìn)行調(diào)整，從而保證構(gòu)件成形的穩(wěn)定性。Zhu B B等[41]開發(fā)了一種電弧電壓傳感和控制系統(tǒng)(見圖17)，該系統(tǒng)利用小波包變換算法過濾掉原始弧壓信號(hào)中的干擾，通過模糊PID復(fù)合控制器對(duì)增材過程中的送絲速度和弧壓進(jìn)行控制。在閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)大大改善了成形構(gòu)件的表面質(zhì)量，如圖18所示。

圖17 電弧電壓傳感和控制系統(tǒng)[41]

圖18 成形直壁件的形貌[41]

除了實(shí)時(shí)在線檢測與成形精度調(diào)控技術(shù)外，還可以通過各種復(fù)合工藝手段來控制增材構(gòu)件的形成精度。Colegrove P A等[42]研究了層間軋制對(duì)電弧增材低合金鋼直壁件的殘余應(yīng)力和翹曲度的變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用75 kN的層間軋制能夠?qū)⒅北诩臍堄嗬瓚?yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，同時(shí)將翹曲度從7 mm降低至2 mm。Dirisu P等[43]對(duì)電弧增材鋼構(gòu)件的側(cè)表面進(jìn)行軋制，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過軋制后構(gòu)件的表面波紋度明顯下降，構(gòu)件的表面精度提高。Scotti F M等[44]提出了一種近浸式主動(dòng)冷卻技術(shù)，如圖19所示。該技術(shù)是將增材構(gòu)件置入水箱中，并根據(jù)增材構(gòu)件的高度實(shí)時(shí)調(diào)整水箱中冷卻水的高度，從而消除成形過程中的熱積累效應(yīng)，提高增材構(gòu)件的表面精度。

圖19 近浸式主動(dòng)冷卻技術(shù)的示意圖[44]

3.2 復(fù)合成形構(gòu)件的控性方法

微觀組織對(duì)于增材構(gòu)件的力學(xué)性能起到了決定性的作用，因此許多學(xué)者對(duì)增材構(gòu)件的控性技術(shù)進(jìn)行了研究。在電弧增材過程中引入塑性變形是目前改善構(gòu)件微觀組織的一種有效手段。Duarte V R等[22]出了一種原位鍛造復(fù)合電弧增材的成形方法，即在材料沉積后立即進(jìn)行局部鍛造，如圖20所示。這種方法不僅能夠使沉積材料在高溫下發(fā)生塑性變形，促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，細(xì)化晶粒，還能夠閉合成形過程中的氣孔等缺陷，從而大幅提高材料的強(qiáng)度和韌性。Xu X等[45]研究了層間軋制對(duì)電弧增材馬氏體時(shí)效鋼的微觀組織和力學(xué)影響的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)層間軋制力高于50 kN時(shí)，沉積態(tài)的柱狀晶被打碎，微觀組織中的織構(gòu)被消除，殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù)下降，材料的抗拉強(qiáng)度從1410 MPa提高至1750 MPa，達(dá)到了鍛態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。Lan B等[46]將電弧增材制造和鍛造結(jié)合，研究了不同鍛造方向?qū)﹄娀≡霾闹圃霫n718高溫合金熱變形行為與微觀組織的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鍛造方向?qū)Σ牧系牧鲃?dòng)應(yīng)力幾乎沒有影響，但是當(dāng)鍛造方向垂直于沉積高度方向時(shí)，變形試樣的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)更高，組織更加均勻細(xì)小。

圖20 原位鍛造復(fù)合電弧增材技術(shù)的原理圖[22]

外加輔助能場如激光、磁場等可以改變?nèi)鄢貎?nèi)金屬的流動(dòng)特性，影響晶核的形成及長大，從而改善構(gòu)件的微觀組織和力學(xué)性能。Gong M等[47]將振蕩激光束和電弧增材制造結(jié)合，如圖21所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)振動(dòng)激光束能夠?qū)θ鄢禺a(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，起到細(xì)化晶粒和排出熔池內(nèi)氣體的作用，從而消除了材料的內(nèi)部缺陷和各向異性，得到了性能優(yōu)異的增材構(gòu)件。常云龍等[48]將縱向磁場與電弧增材制造相結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)引入磁場后增材構(gòu)件中的α-Al晶粒得到細(xì)化，析出相減少，固溶強(qiáng)化作用增加，從而使得材料的力學(xué)性能得到明顯提升。

圖21 激光輔助電弧增材制造的熔池流動(dòng)示意圖[47]

4 總結(jié)與展望

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在大型金屬零件電弧熔絲增材及其復(fù)合制造技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量研究，并取得了許多有價(jià)值的成果。通過塑性成形工藝的引入，有效改善了電弧熔絲增材制造技術(shù)的控形控性能力，增材獲得的柱狀樹枝晶在塑性變形后轉(zhuǎn)變成了鍛態(tài)等軸晶，改善了金屬增材件的各向異性，力學(xué)性能也得到了一定程度的提高。同時(shí)，由于塑性成形工藝的引入，增材堆積層厚度和表面質(zhì)量也得到了一定提高。但是，相關(guān)研究依然多集中于簡單金屬直臂件的微觀組織和力學(xué)性能調(diào)控方面。順應(yīng)大型金屬零件高品質(zhì)制造的發(fā)展趨勢，未來電弧熔絲增材及其復(fù)合制造技術(shù)應(yīng)在以下方面進(jìn)行深入研究。

(1)制造裝備復(fù)合集成：現(xiàn)階段的電弧熔絲增材復(fù)合制造裝備還多停留在將電弧熔絲增材裝備與復(fù)合成形工藝裝備簡單搭載階段，有必要進(jìn)一步開發(fā)多制造系統(tǒng)協(xié)同共融的復(fù)合制造平臺(tái)，提高復(fù)合制造裝備的集成化、智能化水平。

(2)制造過程在線檢測：電弧熔絲增材及復(fù)合制造過程中，成形工藝參數(shù)顯著影響著成形零件的微觀組織演變、缺陷衍生和力學(xué)性能。針對(duì)制造過程的在線檢測技術(shù)研究是實(shí)現(xiàn)電弧熔絲復(fù)合制造智能調(diào)控的基礎(chǔ)。

(3)制造全流程模擬預(yù)測：電弧熔絲增材復(fù)合制造全流程模擬需要采用涉及溫度場、液態(tài)流動(dòng)場、塑性應(yīng)變場、微觀組織場的跨越大型金屬零件米級(jí)宏觀變形到亞微米級(jí)微觀組織演變的多場跨尺度耦合模型，這也是不斷精化大型金屬零件電弧熔絲增材復(fù)合制造工藝的重要基礎(chǔ)。

(4)制造工藝智能協(xié)同調(diào)控：電弧熔絲增材復(fù)合制造工藝參數(shù)眾多，如何建立基于制造過程多元信息的形性協(xié)同優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)大型金屬零件電弧熔絲增材復(fù)合制造工藝參數(shù)的智能協(xié)同調(diào)控極為關(guān)鍵。