余盈燕 鄧和平 黎燕 盧順 周杰,

(1.重慶大學材料科學與工程學院，先進模具智能制造重慶市重點實驗室，重慶 400044；2.重慶杰品科技股份有限公司，重慶 401329)

電弧熔絲增材制造技術(Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM)采用焊接電弧為熱源，通過不同的路徑規(guī)劃算法將零件的三維模型轉化為層狀的增材路徑，通過送絲系統(tǒng)、機械臂等裝置控制焊槍按照規(guī)劃好的軌跡運動同時融化絲材，自下而上逐層熔覆而成形金屬構件[1-3]。相比于激光和電子束增材制造，電弧增材制造成形效率高，絲材利用率高達90%以上，能夠快速進行金屬構件的制造；不需要氣氛保護箱和真空箱等設備，工件尺寸不受其空間尺寸的限制，也大幅減少對設備的投資成本；可成形的材料種類廣泛，對激光反射率高的鋁合金、銅合金等也可進行增材制造，且焊絲較金屬粉末更易制備；設備包括焊機、焊槍和送絲設備等，價格便宜，操作簡單易保養(yǎng)[4-7]。與傳統(tǒng)減材制造相比，電弧增材制造可以縮短成形時間，減少加工時間以及原材料成本，研究表明，采用電弧增材制造的成形時間可以縮短40%～60%，機加工時間可以縮短10%～20%，原材料成本降低78%左右[1,8]。因此，電弧增材制造正在成為較傳統(tǒng)減材制造和其他增材制造方式更加適合大型金屬構件的制造方式[9]。

然而，電弧增材制造熱輸入大、成形精度差等問題限制了其在大型金屬構件制造方面的應用[10]，國內外學者近年來對電弧增材技術進行了多角度的研究，也應用在不同的大型金屬構件中。本文針對大型金屬構件電弧增材制造技術，從典型材料電弧增材制造的微觀組織和力學性能、大型金屬構件增材制造的工藝方法以及應用案例三個方面進行綜述。

1 典型材料電弧增材制造的微觀組織和力學性能

金屬材料內部組織結構對零件的力學性能起著決定性的作用。增材制造本質上是一個微鑄造的過程，但熔池的冷卻速度極快，液態(tài)金屬的凝固過程沿著沉積方向發(fā)生，且進行下一層增材時，之前一層已經凝固的材料也會被部分熔化，提供了晶體外延生長的條件，導致沿增材方向容易生長出柱狀晶，因此在增材制造的材料中，這種因外延生長而形成的柱狀晶都非常普遍。電弧增材制造后各種材料的微觀組織都有不同程度外延生長的柱狀晶，各材料的組織也有所差異[11]。

1.1 鈦合金

鈦合金的強度/密度之比(比強度)遠大于其他金屬結構材料，可以制造出質量輕、高溫強度高、性能好、剛性好的零部件，被廣泛用于航空航天等行業(yè)大型金屬構件的制造。然而，鈦合金的成形性和加工性能差，材料成本高，采用傳統(tǒng)的制造方式難度大，經濟性差，使得鈦合金的電弧增材制造備受關注[12]。

針對電弧增材制造的鈦合金組織與力學性能的研究很多。以TC4鈦合金為例，其電弧增材組織與鑄造材料相類似，增材過程中的溫度場分布以及層間溫度的循環(huán)可能導致合金產生區(qū)域組織差異[13]。Baufeld等使用TIG熱源增材制備TC4鈦合金中，發(fā)現(xiàn)熔覆金屬的微觀組織中分布著寬度約為3～8 mm粗大柱狀β晶粒，(見圖1a)，在β晶粒內部，頂部區(qū)域是細長的α相層(見圖1b)，底部的α相層較頂部明顯增粗(見圖1c)[14]。沉積方向對柱狀晶的方向起著決定性作用，電弧熔池內的最大溫度梯度方向決定了β柱狀晶粒的生長方向[15]。Wollongong(臥龍崗)大學用氣體鎢絲電弧增材(GMAW)制備的TC4鈦合金薄壁結構中也出現(xiàn)了類似的粗大柱狀β晶粒，如圖2所示，在與基材直接接觸的前幾層，由于冷卻速率高，其組織多為板條狀的α相，這種板條狀的α相傾向于在凝固過程中向垂直于液/固界面的方向生長，隨著增材過程的進行，熱量不斷累積，冷卻速度降低，形成了層狀的α相與網籃組織的混合組織。薄壁上部形成了大的α相集群，如果最上層的過程溫度超過了β相的轉變溫度(995℃)，則會形成粗大的α相集群結構[16]。

圖1 典型TIG熱源增材TC4鈦合金微觀組織

圖2 典型TIG熱源增材TC4鈦合金微觀組織

由于粗大柱狀β晶粒以及增材組織的不均勻性，電弧增材制備的TC4鈦合金的力學性能普遍存在各向異性，通常沿柱狀晶生長方向(增材方向)的拉伸性能會優(yōu)于沿電弧行走方向的性能。表1列舉了部分采用電弧增材制造技術制備的TC4鈦合金沉積態(tài)的拉伸性能，絕大多數(shù)的測試結果都表明無熱處理的沉積態(tài)下的伸長率難以符合ASTM B381-13標準，在其他熱源類型的鈦合金增材制造中，也得出了類似的結論[14,17-20]。

表1 電弧增材制造制備的TC4鈦合金拉伸性能統(tǒng)計

1.2 鎳基高溫合金

鎳基高溫合金廣泛應用于航空發(fā)動機燃燒室和燃氣輪機等耐高溫高性能零部件，與鈦合金一樣，有塑性變形窗口小、加工性能差、材料利用率低等問題。學者們對目前常用的GH4169、GH3625等鎳基高溫合金電弧增材后的微觀組織和力學性能進行了研究。通過WAAM制造的GH4169高溫合金的微觀組織通常由具有不規(guī)則島狀沉淀物(稱為Laves相)的粗大柱狀晶和一些球方形碳化物組成，如圖3所示。Wang Yangfan等采用CMT電弧成形的GH4169合金薄壁結構中，底層主要由精細的蜂窩結構組成，隨著沉積層數(shù)和熱量輸入的增加，結構變?yōu)橹鶢钪?，具有二次枝晶臂，最后一層由等軸晶組成[21]。Ni Mang等用CMT增材成形的薄壁結構中，粗大的柱狀晶貫穿了整個熔覆層，且沉積層數(shù)越高，一次枝晶間臂越大，Laves相的取向特征越明顯。如果熔覆試樣的沉積層散熱能力越強，則散熱方向與沉積方向的夾角越大，柱狀晶粒生長的方向差異越大[22]。

圖3 典型GH4169高溫合金增材微觀組織

通常情況下，沉積態(tài)的WAAM鎳基高溫合金力學性能略高于鑄態(tài)，也存在各向異性，表2列舉了幾種熱源下WAAM鎳基高溫合金的拉伸性能，整體性能普遍與鍛件(Rm>735 MPa，A≥40%)有一定的差距[23-27]。

表2 電弧增材制造制備的GH4169高溫合金拉伸性能統(tǒng)計

1.3 鋁合金

鋁合金具有強度高、密度低、延展性和耐腐蝕性好等特點，在大型結構件中有著廣泛的應用。但鋁合金的熱膨脹系數(shù)高、導熱性好、凝固收縮率高，其增材制造過程熔池不穩(wěn)定，且合金表面容易產生高熔點致密氧化膜，給增材過程帶來了一定困難。許多學者對鋁合金的電弧熔絲增材工藝進行了研究，為省能源，目前GMAW和CMT被認為是最適合鋁合金的電弧增材方式[28-29]。

典型的電弧熔絲增材制造的鋁合金的微觀組織分布如圖4所示，在工件頂部的點A處，由于頂部是增材結束的位置，沒有后續(xù)的熱循環(huán)影響，這個位置并沒有產生析出相；在沉積層中部，隨著位置越靠近沉積層底部，由點B到點C，其經歷的熱循環(huán)越多，析出相就越容易形成并長大；但如果進一步靠近底部，受上方熱循環(huán)的影響變小，當溫度下降到低于析出溫度范圍時，析出相就會停止生長，晶粒尺寸達到穩(wěn)定狀態(tài)，如點D處的晶粒就已經達到了穩(wěn)定狀態(tài)，不再產生新的析出相[30]。

圖4 典型鋁合金薄壁增材微觀組織及第二相形成機理

表3列舉了不同熱源下WAAM鋁合金的拉伸性能，沉積態(tài)下其性能略高于鑄件，經過固溶+時效處理后強度和韌性均有所增加[31-32]。

表3 電弧增材制造制備的鋁合金拉伸性能統(tǒng)計

除了上述合金外，也有學者研究了包括Al/Ti合金、鋼/鎳合金、Fe/Al合金在內的各種航空航天常用合金的電弧熔絲增材制造工藝。其增材組織大都呈現(xiàn)出各向異性，但通過焊絲改進、工藝調整、工藝復合、熱處理等方式可以調整其微觀組織和力學性能[33-35]。

2 電弧增材制造工藝方法研究

目前，實驗室電弧增材制造試樣的性能已經有了很大提高，但不同材料的電弧增材仍然存在各種缺陷，圖5總結了不同材料產生各種缺陷的嚴重程度。電弧增材制造工藝研究主要就是為了避免出現(xiàn)這些缺陷并成形復雜的形狀[36]。目前學者對于電弧增材工藝研究主要從增材過程工藝控制、增材后熱處理、復合增材制造技術等方面進行。

圖5 不同金屬電弧增材制造易出現(xiàn)缺陷程度

2.1 增材過程工藝控制

電弧增材制造工藝的控制主要是增材熱源、增材參數(shù)、保護氣體、熔覆絲材、運動系統(tǒng)以及增材基板等的選擇和控制?？梢杂脕磉M行增材制造的工藝包括氣體保護金屬電弧(GMAW)、氣體保護鎢極電弧(GTAW)或等離子弧(PAW)。Pan Zengxi等詳細介紹了每個工藝類別及其變體，增材方式按照構件的需要選擇，例如，如果優(yōu)先考慮高沉積速率，則GMAW可能優(yōu)于GTAW，盡管GMAW質量和工藝穩(wěn)定性通常較低。雖然PAW可以提供最高能量密度的電弧，實現(xiàn)高行進速度和高質量增材，同時最大限度地減少變形，但其成本通常較高。各種材料也有其適合的熔覆材料和調節(jié)熔覆工藝，例如鋁合金容易產生表面氧化物，鈦合金需要避免電弧漂移，導致這兩種合金不適合用GMAW方式進行增材[37-38]。

焊接參數(shù)中，電流、功率、送絲速度、沉積速度等工藝參數(shù)對WAAM的質量影響顯著，研究表明合理的工藝參數(shù)組合可以得到穩(wěn)定無缺陷的熔覆金屬。例如，穩(wěn)定的熱輸入比WFS/TS是保證調整工藝參數(shù)后也能穩(wěn)定增材的一種方式。Williams S W等人的研究表明，當WFS/TS比為30時，PAW方法增材的TC4鈦合金過程較為穩(wěn)定。降低熱輸入量可以使熔池中的冷卻速率更快，熱積累減少，能夠有效抑制粗大柱狀晶的生長，且較低的熱輸入量能夠降低有害氣體的溶解度，減少孔隙率的形成[39]。Cranfield大學的Martina F等研究了增材工藝參數(shù)對薄壁形狀構件壁厚和沉積層高的影響規(guī)律，并且用公式表示了送絲速度、熔覆速度、熔覆電流等工藝參數(shù)與構件形狀、尺寸之間的關系[40]。Ouyang J H等人采用GTAW工藝制造了一個5356鋁合金構件，認為弧長、預熱溫度以及層間溫度是影響構件尺寸精度以及表面質量的關鍵因素，優(yōu)化工藝后，構件的表面粗糙度降低到了2 μm以下[41]。

高質量的熔覆絲材能夠大大降低增材制造熔覆金屬中的孔隙率，提高增材質量。增材制造的過程較單道焊接復雜，所使用的絲材也要有所不同，增材制造過程中由于熱循環(huán)多，更容易出現(xiàn)元素的燒損。為此，研究人員專門開發(fā)設計了增材制造用的藥芯絲材，通過調整藥芯絲材中的合金元素成分可以獲得不同的性能[2]；總結了各種熔覆料優(yōu)化方法對增材制造質量的影響，其中比較簡單有效的方法是在增材制造沉積層之間增加涂層，阻止粗大柱狀晶的生長，對細化晶粒和提高性能等有很好的效果。Bermingham M J等人通過添加微量硼，有效改善了Ti-6Al-4V的性能，促進了WAAM中等軸樹枝狀晶體的形成[42]。Mereddy S等人將硅添加到純鈦，實現(xiàn)了晶粒細化，除此之外，鎂、鍶、硼化鈦等也能提高增材制造鋁合金的性能[43]。

2.2 增材后熱處理

在增材制造過程中，熱循環(huán)不斷進行，熱量累積，金屬熔化和冷卻的不平衡導致殘余應力大、容易變形和性能的各向異性，是各種材料增材制造都需要解決的缺陷，這些缺陷難以通過優(yōu)化焊接材料和調節(jié)焊接工藝去除，因此，增材完成之后通常需要進行熱處理來消除殘余應力，強化構件。許多學者對增材后的熱處理進行了研究，Zhang Yiqi等使用JmatPro軟件計算發(fā)現(xiàn)，對于增材制造試驗的雙相不銹鋼，在1218～1383℃之間熱處理1 h可將其中的奧氏體與鐵素體相的比例控制為1∶1，試驗制備的試樣中奧氏體含量為66%，1300℃熱處理1 h后，奧氏體含量降為45%[44]。席明哲等研究了不同熱處理溫度對連續(xù)點式鍛壓激光快速成形GH4169合金顯微組織和拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)高溫有利于消除有害的Laves相，但同時也會引起晶粒長大[45]。王曉光等的研究結果也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律，如圖6所示，通過對CMT電弧增材制造的GH4169鎳基高溫合金進行不同的固溶處理，Laves相的溶解程度隨之變化，1170℃固溶處理后，Laves相充分溶解，碳化物NbC均勻彌散在基體中，粗大的柱狀晶陸續(xù)轉變?yōu)槌识噙呅畏植嫉牡容S晶，顯著降低了組織的各向異性[26]。對于增材制造鋁合金的熱處理，Gu Jianglong等經過研究發(fā)現(xiàn)，氣孔形狀對于零件的性能有很大影響，而熱處理能夠使得氫氣從氣孔中釋放出來，改變氫氣孔的形狀，從而提高增材制造鋁合金的抗拉強度和屈服強度，但伸長率有所下降[46]。

(a)1070℃，2h (b)1130℃，2h (c)1170℃，2h

2.3 復合增材制造技術

除調節(jié)工藝參數(shù)以及進行熱處理外，采用復合增材制造工藝提高電弧增材制造質量是目前學者研究的一個重點。如借助層間冷卻、軋制、錘擊、噴丸和超聲波沖擊處理等工藝，不僅可以細化晶粒，還可以有效地釋放殘余應力。H?nnige J R等人通過在電弧增材成形過程中添加滾壓裝置，研究軋制工藝對于成形件成形的影響機制，發(fā)現(xiàn)隨增隨軋后增材成形件的殘余應力數(shù)值降低，并且影響區(qū)域較小，同時成形件的晶粒明顯得到細化，證明了軋制工藝的有效性[47]。Gu Jianglong等人對增材成形件層間添加軋制工藝后，經增材后熱處理后研究軋制過程中軋制力大小對于增材材料鋁合金孔隙率的影響機制，通過實驗發(fā)現(xiàn)當軋制力越大時，增材成形件內部孔隙數(shù)量大幅度降低，并且材料硬度與強度也得到顯著提高[46]。Martina F研究了增材冷軋復合制造過程不同的軋制力對TC4鈦合金組織的影響，發(fā)現(xiàn)當冷軋力為75 kN時，鈦合金內部的粗大柱狀晶幾乎可以全部轉變?yōu)榈容S晶，如圖7所示[40]。

(a)未軋制 (b)50 kN軋制力 (c)75 kN軋制力

Donoghue J等發(fā)現(xiàn)對于TC4鈦合金，增材過程中復合超聲沖擊能夠使粗大柱狀晶破碎，有利于等軸晶組織的形成，如圖8所示，但是，這種方法并不能完全消除柱狀晶，在每層材料中仍然存在著沒有被破環(huán)的柱狀晶，沖擊能量和沖擊次數(shù)對微觀組織有較大影響[48]。

(a)未施加沖擊 (b)每5層沖擊1次 (c)每層沖擊1次

權國政等研究了增材和錘擊的復合工藝，分析了錘擊的介入時間以及溫度等工藝參數(shù)對增材構件殘余應力的影響，研究表明錘擊能提高沉積層的宏觀表面質量，并且減少構件內的殘余應力[49]。加拿大的Hacini L等也對隨焊錘擊工藝進行了研究，對于304L奧氏體不銹鋼的成形結果表明，錘擊能在熔覆金屬埂道表面產生壓應力，從而矯正增材過程中產生的殘余拉應力，通過優(yōu)化工藝可以提高錘擊對于殘余應力消減的效果[50]。多位學者的研究都表明，增材過程中隨焊錘鍛可以促進液態(tài)金屬熔池對流，起到細化晶粒的作用。

3 大型金屬構件電弧增材制造應用案例

隨著電弧增材技術的發(fā)展，越來越多的大型金屬構件電弧增材技術得以突破。挪威Norsk Titanium公司制備了長度達到1 m的鈦合金零件，在TC4鈦合金板材上增材帶有肋條的特征，然后經過機加得到最終構件，整個過程材料利用率在30%左右，增材后構件的力學性能與鍛件一致。該公司的鈦合金電弧熔絲增材制造技術于2016年獲得了美國聯(lián)邦航空管理局技術成熟度8級認證[51]。歐洲宇航局與英國Cranfield大學焊接與激光研究中心合作，采用電弧熔絲增材方式制備了鈦合金飛機機翼翼梁、航空發(fā)動機輪盤等航空航天用大型構件(圖9)，絲材的利用率高達90%，且成形效率高、缺陷少，尺寸為1.2 m的鈦合金機翼增材制造只需37 h[52]。

圖9 電弧熔絲增材TC4航空發(fā)動機輪盤

美國Lockheed Martin已采用電弧增材的方法制造了一個大型錐形筒體，高度約為380 mm；加拿大Bombardier公司在大型金屬平板上增材制造了長2.5 m×寬1.2 m的大型飛機肋板[52-53]。國內，華中科技大學采用高合金鋼藥芯打印的超大型薄壁構件，其設計尺寸為：1200 mm(長)×1000 mm(寬)×720 mm(高)，構件側壁分層均勻無混層，壁厚均勻，驗證了其電弧增材工藝的穩(wěn)定性(圖10)[54]。采用低合金高強鋼金屬絲材增材的建筑用多軸向管道結構件增材過程中堆積熔高、熔寬變化幅度最小，尺寸均勻性好，熔覆材料的屈服強度在437 MPa左右，高出標準值46%；平均斷后伸長率27.65%，高出標準值25.7%(圖11)。宋守亮通過3D打印方法制造出的艉軸架(圖12)，不僅性能完全滿足使用要求，且內部無縮孔、縮松等缺陷。通過試驗，金屬絲材堆積金屬的屈服強度530 MPa，較標準值370 MPa高；抗拉強度600 MPa，較標準值470 MPa高；-20℃沖擊吸收能量70 J，高于標準值47 J[55]。Gu Jianglong等采用CMT試制了不同的鋁合金零件(圖13)，研究了焊絲質量、保護氣流量等因素對電弧增材制造鋁合金的力學性能和氣孔缺陷的影響，采用冷軋輥的方式對電弧增材制造構件進行后處理，結果表明，當冷軋力為45 kN時，制備得到的試樣延伸率要比未經層間冷軋的高約23%[46]。

圖10 電弧熔絲增材超大型薄壁構件

圖11 電弧熔絲增材多向管道系

圖12 電弧熔絲增材大型艦船雙臂艉軸架

(a)沉積態(tài)框梁 (b)機加后框梁

4 結論與展望

電弧熔絲增材制造由于其沉積效率高、適用材料范圍大、設備簡單、絲材制造簡單等特點，特別適合作為航空航天領域中大型構件的制備方式。但其制備的材料容易出現(xiàn)粗大柱狀晶、組織不均勻、性能呈現(xiàn)各向異性、構件殘余應力大等缺點，成形精度有待提高，在大型金屬構件的制備領域還未形成成熟的技術。為實現(xiàn)高質量復雜形狀的制造，還需要對電弧增材微觀組織調控、電弧增材工藝優(yōu)化、電弧增材設備集成、電弧增材殘余應力消減技術等方面進行深入研究，隨著復合工藝的發(fā)展、工藝的積累優(yōu)化以及增材設備的發(fā)展，電弧熔絲增材制造將會迎來更大的發(fā)展。