絲材電弧增材制造常用材料及其缺陷研究進展

任學磊，袁濤

北京工業大學汽車零部件先進制造技術工程研究中心 北京 100124

1 序言

增材制造技術是通過CAD設計數據，采用材料逐層累加的方法制造實體構件的技術[1]。與傳統制造技術相比，增材制造技術應用計算機軟件構建相應的三維模型，規劃路徑后直接生產，可以快速而精確地制造出各種復雜零件，大大減少了生產周期，降低了制造成本，減少了人力物力，且通常對環境友好[2]。當前增材制造技術適用于各種材料，例如金屬、聚合物、陶瓷和混凝土等。尤其是金屬增材制造，作為增材制造領域的研究重點，廣泛應用于航空航天、汽車及生物醫學等各個領域[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不需要在真空環境下即可工作，大大減少了運行成本，工作環境不受限制，可適用于大體積的構件制造。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，具有制造效率高、設備成本低、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展前景。

但是，由于WAAM技術是一個多參數耦合作用的復雜過程，焊接過程中易受各種因素影響，導致缺陷累積，因此使得其應用受到了限制。本文調研了各種適用于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，介紹了當前應用的WAAM系統，總結了用于制造過程中和制造后質量改進的主要方法，最后提出了未來的研究方向和建議。

2 WAAM系統及材料應用

（1）WAAM系統 WAAM工藝的起源可以追溯到1925年，發展至今，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技術采用電弧作為熱源將金屬絲材熔化，在設備的操控下，設備內部送絲系統送出的金屬絲會與電弧作用區域重合，按照給定的CAD模型，規劃運動路徑和焊接參數，以實現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劃和工藝優化，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，從而可以逐層構建組件直至成形金屬件。圖1為WAAM系統結構示意。

圖1 WAAM系統結構示意

（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，并對各種常見缺陷的產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異的力學性能，廣泛應用于航空航天和生物醫學的增材制造領域。Yefei Zhou[10]通過對WAAM的Ti-6Al-4V不同沉積方式的成形、力學性能進行了探究，發現抗拉強度在一定區間變化，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現了大的層狀α晶粒，水平方向上發現了較小的α′晶粒，因此導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，發現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，其力學性能完全滿足ASTM鍛造與鑄造的最低標準。

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，發現其抗拉強度可以達到261MPa，屈服強度可以達到123MPa，低于ASTM鍛造的最低標準，但是在經過熱處理后，其抗拉強度和屈服強度分別可達到440MPa和350MPa，完全滿足ASTM鍛造的最低標準。

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，因此廣泛應用于航空航天、石化和海洋工業。迄今為止，相關科研人員已經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用[15]。與傳統生產的鋼相比，增材制造的鋼表現出不同的微觀結構和析出相，這可能導致力學性能的變化[16]，所以需要關注并避免缺陷的產生。

3 工藝缺陷

盡管WAAM的優點有很多，但是WAAM制造仍然有一些缺陷需要關注并解決。這些缺陷包括高孔隙率、高殘余應力與變形、開裂和各向異性的力學性能等。這些是WAAM廣泛應用所面臨的挑戰。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，嚴重影響構件的力學性能，因此需要著重注意。氣孔的增加不僅會大幅降低構件力學性能和疲勞強度，更嚴重的還會導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氫化合物。這些污染物在增材過程中很容易進入到熔池中去，并在凝固后產生氣孔。在增材制造常用材料中，鋁合金尤其容易產生這一缺陷，這主要是由于氫在熔融和固態鋁合金中溶解度差異巨大導致的[17]，由此產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）殘余應力與應變 殘余應力與應變是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中溫度的驟變，由此產生熱應變和殘余應力，而殘余應力會導致構件變形、尺寸精度下降，而且會致使構件的疲勞性能和抗斷裂性能降低[19]。因此，對殘余應力變化的監測與控制是增材制造領域中的重要挑戰。

殘余應力產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，導致的材料膨脹和收縮。而且很多工藝參數都對殘余應力和變形有影響，如：環境溫度、約束條件、熔覆速度及焊接電流等。目前，已經有可以有效減輕殘余應力和變形的方法，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變引起的，后者主要分布在糊狀區或部分熔化區，在構件凝固過程中部分熔化區由于沉積層的收縮會受到收縮力的影響，由此可能會產生液化裂紋。尤其是在WAAM的異種金屬制造中，由于材料屬性的不同，更容易產生裂紋。

4 優化處理研究現狀

如前所述，WAAM中還存在著其他許多缺陷，因此WAAM結構件通常需要采取一定的后處理或者輔助工藝來改善構件性能，減小甚至消除缺陷。目前，已經有眾多學者對這一領域進行了研究，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用于改善增材構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，這可能導致熔池糊狀區發生枝晶破碎，使部分熔化區發生晶粒脫落，從而促進了晶粒細化，改善了構件組織性能。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定[20]，熱輸入減少，加快冷卻速度，也優化了組織性能。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性能的影響，發現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，發現高脈沖電流產生了電弧收縮，使能量更加集中，增大了電弧力，促進了晶粒細化，使其力學性能得到了很大的提升。

（2）熱處理 熱處理是WAAM中廣泛應用的另一種強化手段，熱處理可以有效減小殘余應力，增強構件力學性能。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構件的組織性能影響，發現熱處理后，鋁合金的力學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，而且探究發現，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，發現熱處理后，構件內的氣孔數量明顯減少，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。但是該技術也有一定的弊端，會導致晶粒變得粗大，不僅增大氣孔還會導致少數材料被破壞，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力、變形[25]，還可以明顯改善構件的各向異性。層間軋制（設備見圖3）不僅可以有效地細化晶粒，它可以有效降低鈦合金、鋁合金、鋼等增材構件的各向異性和殘余應力。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，發現在45kN的載荷下，抗拉強度提高了20%，屈服強度提高了87%，并且發現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件，不適用曲面或更復雜、不規則的構件，且效率較低，有一定的局限性。

圖3 層間軋制設備

5 結束語

由于金屬電弧增材制造的飛速發展，工藝的穩定性，缺陷的控制、消除，以及生產具有高質量的力學性能構件已成為這一領域的關鍵研究重點，因此對材料性質的探究，制造過程中的監測控制和后處理變得至關重要。通過對WAAM工藝的技術發展進行部分回顧，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，但還有很大的改進空間，由此可以得出一些對未來高質量、無缺陷構件制造技術的展望。

1）材料成分與微觀組織決定了構件的性能，對制造過程中微觀結構的演變、推測與控制十分重要，但由于WAAM工藝的復雜性，難以對其過程進行詳細觀測，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測，建立“材料屬性-制造工藝-微觀組織-力學性能”的一般規律。

2）進一步優化WAAM設備（如焊接機器人、數控系統等），提高構件尺寸精度，結合仿真模擬確定最優參數，以制造性能最佳的零件。還應建立功能更加強大與完善的WAAM系統，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，節約時間，增大原材料的成品工件轉換率。