王夢真 萬占東 林健

(北京工業(yè)大學材料與制造學部,北京 100124)

增材制造又稱3D打印,不同于復雜的機加工、鑄造、鍛壓等“減材”制造方法,增材制造是根據(jù)CAD模型進行逐層堆砌,制備出與CAD三維數(shù)據(jù)相近的實際部件的整體性制造技術(shù)[1-3],具有材料利用率高、快速化等優(yōu)點[4-7],廣泛應用于多類學科與領域中。根據(jù)增材制造中使用的熱源不同,可分為激光、電弧和電子束增材制造。其中,利用電弧作為熱源,通過送絲系統(tǒng)在成形軟件的控制下逐點堆疊,按照特定的成形路徑從下到上制造所需零部件的技術(shù)稱為電弧增材制造,該技術(shù)打印效率高,可形成大型熔池,且構(gòu)件尺寸越大,優(yōu)勢越加顯著[8-12]。

1 電弧增材制造的工藝研究

1.1 成形特點與精度研究

徐文虎[13]利用CMT探究兩道多層和擺動電弧軌跡對電弧增材制備Inconel 625厚壁件成形精度的影響,發(fā)現(xiàn)在兩道多層電弧軌跡下制備的構(gòu)件表面平滑度遠高于擺動電弧軌跡,且在制造過程中無明顯飛濺現(xiàn)象。張煉等[14]發(fā)現(xiàn)在TIG電弧增材制造中,設置電流與速度呈正相關(guān)時,316不銹鋼可得到成形效果良好的表面形貌。郭亞軒[15]研究了5B06鋁合金WAAM技術(shù)的工藝參數(shù)對多層單道件成形的影響,實驗工藝參數(shù)推薦使用C+P成形方式,成形電流控制在90～120 A,研究發(fā)現(xiàn),適當增加層間停留時間可以降低層間熱量積聚,提高增材件表面的精度,金屬表面氧化問題也得到一定改善。Xiong J[16]和Alberti E A[17]利用預熱基材降低殘余應力,結(jié)果表明:溫度梯度降低,從而溫度分布更加均勻,因此可以增加第一層的潤濕性。

Ryan E M[18]針對CMT模式、工藝參數(shù)和焊絲批次影響WAAM 2319鋁合金的孔隙率進行了研究:20層增材件的孔隙面積為84 mm2,孔隙率與CMT模式無關(guān),而是與工件表面光潔度相關(guān);表面不平整會影響焊絲上的氫含量,從而使得孔隙率增加,如圖1所示。

(a)B試樣 (b)K試樣 (c)P試樣

朱兵鉞[19]對Rodriguez N[20]和Szost B A[21]等的實驗進行了總結(jié)論述,Rodriguez N[20]發(fā)現(xiàn),表面平整度高、粗糙度在220 μm以內(nèi)的不銹鋼增材件可在TopTIG與CMT電弧增材制造過程中獲得;增材件的力學性能呈現(xiàn)各向異性,且垂直方向的強度數(shù)值較低。Szost B A[21]利用電弧增材制造(WAAM)和激光熔覆技術(shù)(CLAD)制備Ti-6Al-4V,分析不同技術(shù)下材料的成形特點與顯微組織,實驗發(fā)現(xiàn),激光熔覆下的構(gòu)件組織呈現(xiàn)細長且彎曲的柱狀晶,電弧增材制造下更多為粗大平行柱狀晶并沿壁高方向聚集分布,如圖2所示。

圖2 CLAD與WAAM增材下的組織[21]

以上的研究表明,在合適的保護氣氛與電弧作用下,焊絲可以堆積出成形良好的增材制造體,從而實現(xiàn)金屬構(gòu)件的3D打印。在諸多電弧方法中,CMT方法使用得較多。Prado-Cerqueira J[22]利用MIG增材制造低碳鋼,結(jié)果顯示增材件表層組織成分主要由碳化物、滲碳體和氧化物構(gòu)成,當使用CMT進行電弧增材時,可有效防止以上有害物的生成。

1.2 工藝參數(shù)-微觀組織-力學性能研究

盧恒洲[23]發(fā)現(xiàn)使用CMT電弧增材4043鋁合金薄壁件時,隨著打印速度的提升,晶粒尺寸變小,增材件的高度和厚度會隨著速度的增加而降低,速度過快散熱不充分,導致氣孔率有所增加;但隨著送絲速度的增加,氣孔明顯減少。Ali Y[24]對電弧增材制造下的熱作工具鋼進行分析:送絲速度的提高和打印速度的降低會導致焊縫寬度變寬,通過對工藝參數(shù)的調(diào)整,可生成在2.7 mm到9.4 mm寬度范圍內(nèi)的焊縫。Rodrigues T A[25]利用MIG增材制造低合金高強鋼,可生成鐵素體、貝氏體、馬氏體-奧氏體(M-A)等組織,較高的SEM放大倍率揭示了分布稀疏的M-A的存在,如圖3(b)和(c),最大晶粒尺寸約為10 μm。

(a)低倍SEM (b)高倍SEM (c)粒狀貝氏體

陳曉輝[26]研究電弧增材制造中電流和電壓對316不銹鋼微觀組織和力學性能的影響。實驗證明,隨著電弧電流和電壓的增加,晶粒長大速度隨之加快,尺寸變大,材料抗拉強度等力學性能降低,斷后伸長率、斷面收縮率下降。Liu[27-29]對電弧增材中焊絲的排布順序進行調(diào)整,獲得了更高的熔敷效率。在此基礎上,他們對增材過程中電流等工藝參數(shù)進行調(diào)整改進,實現(xiàn)了在高速焊2 mm薄板中的應用。張?zhí)燹鹊萚30]探究旁路耦合三絲間接電流的改變對電弧增材制造Q345焊縫成形的影響,結(jié)論如下:隨著旁路電流的增加,焊縫鋪展性逐步提升,鋪展流動性能最好的焊縫可在電流增加至155 A時獲得。劉奮成[31]和Bai X[32]著重于分析熱量累積對工件成形、組織和性能的影響,結(jié)果表明:層間溫度不同時,增材制造件的組織及力學性能無顯著差異。Wang T T等[33]利用CMT增材制造H13鋼,實驗證明了局部加熱對材料的組織轉(zhuǎn)變有顯著作用。

1.3 能場輔助研究

WAAM的制造工藝并不完美,在其他方法的輔助下可以提高構(gòu)件的工藝性能。李攀[34]研究超聲沖擊輔助對2119鋁合金單道多層增材件組織和性能的影響,實驗可知,加入超聲振動后增材件的晶粒的尺寸得到一定程度的細化,如圖4所示,顯微硬度和拉伸性能也得到了一定強化。

(a)未附加超聲 (b)附加超聲

楊東青等[35]以316L不銹鋼為原材料,利用電弧增材制造技術(shù),分析附加超聲沖擊輔助對制備的單墻體力學性能的影響。研究表明,引入超聲沖擊與未沖擊件相比顯微硬度增加了5.2%;同時提高了材料的拉伸性能,具體變化如圖5。

圖5 單墻體拉伸力學性能[35]

李宗玉等[36]在低功率脈沖實驗工藝下,采用電弧激光雙熱源,制造出1～8層的8類316不銹鋼單道墻體,結(jié)果發(fā)現(xiàn),此方法可制備出成形良好的單道墻體。Yang Y等[37]利用超聲沖擊降低殘余應力,研究發(fā)現(xiàn):超聲沖擊在材料內(nèi)在壁的頂部或側(cè)面產(chǎn)生壓應力,從而細化顆粒,有效減少殘余應力。

2 電弧增材制造的數(shù)值仿真研究

增材制造過程的數(shù)值模擬主要集中在制造過程的溫度場、熱應力、熔池形貌、顯微組織模擬等方面。利用模擬替代實驗,節(jié)約了人力物力,并對溫度場、應力場、變形以及力學性能作出準確預測。對于WAAM技術(shù)和應力變形的數(shù)值模擬工作總結(jié)如下:

Nie Z G[38]使用Abaqus對H13鋼激光熱絲增材制造過程進行了數(shù)值模擬,并測量了制備過程中的溫度演變歷程和最終構(gòu)件變形,采用傳統(tǒng)移動熱源對增材制造的全過程進行模擬,計算規(guī)模宏大,計算時間長,難以在工程實際中推廣應用。Ding J[39]以增材制造過程中的峰值溫度作為有限元模型的輸入,計算增材制造引起的殘余應力與變形,從而避免了與移動熱源相關(guān)的瞬態(tài)溫度場分析,有效減少了計算規(guī)模。Li C[40]利用多尺度模型實現(xiàn)對增材制造構(gòu)件變形量的預測,采用局部模型計算移動熱源引起的溫度場分布,進而在尺度較大的中等模型中計算由溫度場引起的殘余應力,獲得殘余應力場的分布規(guī)律,之后再將殘余應力代入到整體模型中去計算構(gòu)件的變形量。以上研究了WAAM工藝過程中的數(shù)值模擬,以探究其熔池溫度場分布特征,從而減少計算規(guī)模。

在增材制造殘余應力與變形的控制方面,Honnige J R等[41]利用冷軋方法控制應力變形:28 kN的垂直滾動載荷足以減輕鋁制零件的變形,并且軋制可以減少零部件頂層附近的縱向應力。Li F[42]設計了柔性多點支撐夾具,通過機械約束的方法來減少增材過程的變形量,通過柔性多點支撐夾具約束,可將角變形量減少96.3%,縱向彎曲變形減少86.5%。Wu B T[43]利用CO2壓縮氣體進行道間冷卻,以減少增材制造薄壁零件的變形量。發(fā)現(xiàn)冷卻時間為30 s,冷卻氣體流量為320 g/min時,縱向和橫向變形量最大分別減小了81%和69%;使用CO2壓縮氣體進行道間冷卻時,打印十層所用的時間減少了80%,大幅提高打印效率。Zhang Y[44]使用液氮冷卻氬氣來加快冷卻過程,構(gòu)件最終變形量減少了71%,縱向殘余應力減少21%。Cao J[45]對Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)件的電子束增材制造過程進行研究,發(fā)現(xiàn)在增材之前,通過預熱基板可以大幅度降低結(jié)構(gòu)中的變形和應力。賈金龍[46]分析了在有限元模擬電弧增材過程中,使用移動熱源和溫度函數(shù)法對鋁合金殘余應力與變形的影響規(guī)律,結(jié)果表明,兩種計算方法下的基板變形量與殘余應力均存在一定的誤差,且都小于20%。Zhao H[47]研究不同打印方向下的應力分布,相同方向的打印件與反向制造的打印件相比會產(chǎn)生更大的應力。Ramos等[48]研究發(fā)現(xiàn)柵格掃描的較短的掃描路徑長度往往會產(chǎn)生較低的殘余應力與變形,吳超等[49]對電弧增材制造單層多道成形件進行有限元分析,研究了沿不同掃描路徑的溫度場和應力場規(guī)律。結(jié)果表明,沿長邊單向掃描的成形件表面散熱效果最好,往復掃描可有效避免單向掃描息弧端處的應力集中。劉國昌等[50]仿真了激光輔助電弧增材的應力分布,據(jù)模擬結(jié)果可知,成形件整體上的殘余應力為拉應力,少量壓應力區(qū)出現(xiàn)在焊道與基板交界處。Denlinger E R等[51]研究層間停留時間對鈦鎳合金增材制造變形和殘余應力的影響,變形和殘余應力隨著停留時間從0到40 s的增加而降低。Mughal M P[52]發(fā)現(xiàn)殘余應力分布取決于打印順序,在末尾熔覆道處出現(xiàn)最高應力,因此為了減少變形,工藝參數(shù)的適當組合至關(guān)重要。Mukherjee T等[53]建立熱-機模型預測增材制造過程中的應力和變形,結(jié)果表明,降低打印層厚度有利于減小應力和變形。

在已有的研究報道中,對稱式,旋轉(zhuǎn)式,甚至隨機式的掃描路徑都有望能夠減少增材制造引起的應力和變形,Nickel A H[54]設計了如圖6所示的三種路徑,對比不同增材路徑對基板變形的影響。發(fā)現(xiàn)從外到內(nèi)的旋轉(zhuǎn)增材路徑方案基板的變形最小。在此基礎上,孫清潔[55]利用CMT設備探究增材制造過程中不同掃描軌跡對薄板變形的影響,實驗驗證了由邊緣向內(nèi)部延伸的掃描路徑引發(fā)的基板變形量最小。

(a)Raster Pattern (b)Spiral Pattern(Scanned from inside to outside) (c)Spiral Pattern(Scanned from outside to inside)

陳克選等[56]使用有限元仿真了有無水冷對溫度場的影響,由于散熱條件的不同,水冷環(huán)境下基板散熱更快,冷卻速度隨之更快,基板目標測量點的溫度熱循環(huán)曲線“雙峰”效應也更明顯。王巖等[57]利用三維體熱源模型,結(jié)合實驗對圓柱形、半球形等八種熱源模型的數(shù)值模擬進行了驗證,發(fā)現(xiàn)八種熱源模型都會使熔池深度減少40%以上。Goldak[58]總結(jié)了在盡可能真實和準確地分析或模擬焊縫中熱流的方法、模型和軟件開發(fā)方面的進展。Chiumenti[59]探究了WAAM數(shù)值模擬的公式,對熱傳導和對流散熱,以及相變期間釋放、吸收的潛熱總量結(jié)合公式進行闡述。Montevecchi等[60]基于考慮打印層與基材實際功率分布的新型熱源模型,提出了WAAM建模方案,減少殘余應力,通過將WAAM實驗構(gòu)件的實測變形與模擬變形進行對比,驗證了所提模型的準確性。

由此可見,通過調(diào)整、優(yōu)化制造工藝參數(shù),可以有效地減少和控制增材制造過程中的殘余應力和變形。

3 總結(jié)展望

(1)工藝參數(shù)對增材制造件的成形精度和組織性能有很大影響,當打印速度與電流呈現(xiàn)正相關(guān)時可得到良好宏觀形貌的成形件;當電流增加時,整體熱輸入隨之升高,且可獲得鋪展性最優(yōu)的單道焊縫;在合適的保護氣氛與電弧作用下,可以制備出成形良好的增材制造體。打印過程中對工藝參數(shù)進行合理優(yōu)化,可有效提高構(gòu)件成形精度,降低成形件殘余應力。

(2)添加能場等輔助手段,有效改善材料的組織結(jié)構(gòu),細化晶粒尺寸,減少和控制增材制造過程中的應力變形,提高其力學性能。

(3)避開傳統(tǒng)移動熱源模型的溫度場瞬態(tài)分析,抽取溫度場或者殘余應力場的特征量,將特征量代入整體模型中進行穩(wěn)態(tài)計算,可有效減少計算規(guī)模。

(4)打印順序不僅顯著影響殘余應力的分布,而且能在一定程度上改變構(gòu)件變形形式,采用由外到內(nèi)的旋轉(zhuǎn)打印路徑方案基板的變形最小,沿長邊單向打印的成形件表面散熱效果最好,采用往復打印路徑可有效避免單向掃描息弧端處的應力集中,且降低了層厚度更有利于減小應力和變形。

(5)增材制造過程中殘余應力和變形直接影響構(gòu)件的最終形狀和尺寸,乃至構(gòu)件的服役性能,進一步探究相變應變對應力變形的影響機理是一個重要的研究發(fā)展方向。