電弧增材制造技術(shù)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展

余圣甫，禹潤縝，何天英，代軼勵

(華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 前 言

隨著我國“制造強國”戰(zhàn)略的推進(jìn)，各類關(guān)鍵金屬構(gòu)件的制造向高效率、智能化、綠色化的方向發(fā)展[1]。常規(guī)大型金屬構(gòu)件制造工藝主要由機加工、鑄造、鍛造、焊接等減材、等材制造技術(shù)復(fù)合而成，存在工藝流程復(fù)雜，材料利用率低，多工序復(fù)合制造時成本高、效率低、制造柔性化程度不足等問題，難以適應(yīng)當(dāng)下各領(lǐng)域金屬構(gòu)件高效、高質(zhì)量、智能制造的發(fā)展趨勢。

增材制造(additive manufacturing，AM)是基于材料累加原理，自下而上逐層累積材料，成形三維實體構(gòu)件的制造技術(shù)，相較于常規(guī)等材、減材制造，該技術(shù)具有工藝流程簡單、材料利用率高、無需模具、成形效率高等優(yōu)點，可實現(xiàn)任意復(fù)雜構(gòu)件的制造[2]。國外如空客、波音、通用電氣等公司均將增材制造列為飛行器部分構(gòu)件的主要制造工藝之一[3, 4]；國內(nèi)的《中國制造2025》戰(zhàn)略文件也已明確指出，增材制造裝備及材料為我國制造業(yè)的重點發(fā)展方向之一，在航空、航天、船舶、建筑等領(lǐng)域均出現(xiàn)了增材制造關(guān)鍵金屬構(gòu)件的應(yīng)用探索[5, 6]。

增材制造技術(shù)依據(jù)熱源的不同可分為激光增材制造、電子束增材制造和電弧增材制造。其中，電弧增材制造(wire arc additive manufacturing, WAAM)技術(shù)采用電弧為熱源，加熱熔化金屬絲材，并通過熔融金屬在計算機程序設(shè)定的路徑上層層堆積，實現(xiàn)三維實體構(gòu)件的成形，原理圖如圖1所示。與激光、電子束增材制造技術(shù)相比，電弧增材制造技術(shù)具有如下特點：

(1)電弧增材制造采用電弧熔化絲材，單根絲材熔化效率可達(dá)到3～6 kg·h-1，成形效率高、成本低。

(2)電弧增材制造自由度較高。激光、電子束增材制造的行進(jìn)驅(qū)動裝備主要為多軸機床，多是通過笛卡爾三軸平移實現(xiàn)自下而上的材料累積，而電弧增材制造驅(qū)動裝備是多軸機器人搭配外部軸變位機、龍門架，可以實現(xiàn)高自由度、高靈活度、任意復(fù)雜空間路徑的制造。

(3)電弧增材制造適合大型復(fù)雜構(gòu)件的成形。激光、電子束增材制造多在封閉的腔室內(nèi)進(jìn)行，成形環(huán)境有限，難以滿足大型金屬構(gòu)件的制造，而電弧增材制造成形環(huán)境開放，對構(gòu)件尺寸無限制。

(4)電弧增材制造廣泛應(yīng)用于鋁合金構(gòu)件制造。由于鋁合金對激光反射率較高，因此通過激光增材制造制造鋁合金構(gòu)件時成形效率低，且構(gòu)件內(nèi)易產(chǎn)生氣孔等缺陷。通過電子束增材制造制造鋁合金構(gòu)件時往往需要在封閉腔室內(nèi)進(jìn)行，這極大地限制了構(gòu)件成形尺寸。而電弧增材制造的熱源是電弧，可充分熔化鋁絲材，同時成形環(huán)境開放，可實現(xiàn)大尺寸鋁合金構(gòu)件的高效、高質(zhì)量制造。

(5)電弧增材制造易于進(jìn)行構(gòu)件修復(fù)。激光、電子束增材制造成形環(huán)境有限，且制造的空間自由度較低，因此難以對大型構(gòu)件的局部損壞位置進(jìn)行修復(fù)。而電弧增材制造技術(shù)成形環(huán)境開放、制造自由度較高，易于對大型構(gòu)件的任意局部位置進(jìn)行堆積修復(fù)。

電弧增材制造在近10年得到了常足發(fā)展，目前世界各地均有電弧增材制造研究機構(gòu)(圖2)[7]，同時，電弧增材制造在多種高性能構(gòu)件的制造中均出現(xiàn)了成熟的應(yīng)用案例[4, 8-12]。然而，由于電弧增材制造技術(shù)具有高度復(fù)雜性，其裝備系統(tǒng)、工藝及材料等均會影響成形構(gòu)件質(zhì)量及制造過程的可持續(xù)性，因此，有必要對電弧增材制造裝備系統(tǒng)、工藝控制方法、以及電弧增材制造時的材料冶金行為等進(jìn)行較全面的評估和總結(jié)。

圖1 電弧增材制造原理圖Fig.1 Schematic diagram of WAAM

圖2 世界各地的電弧增材制造研究機構(gòu)[7]Fig.2 The distribution of main WAAM research groups[7]

本文分別對近幾年國內(nèi)外在電弧增材制造裝備系統(tǒng)、過程控制、高性能金屬材料在電弧增材制造過程中的冶金行為3個方面的研究成果進(jìn)行了闡述和分析，列舉電弧增材制造的典型應(yīng)用案例，對電弧增材制造技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行較全面的評估和總結(jié)，并指出電弧增材制造技術(shù)未來可能的發(fā)展方向。

2 電弧增材制造裝備系統(tǒng)

電弧增材制造金屬構(gòu)件，其應(yīng)用基礎(chǔ)為合適的電弧增材制造裝備系統(tǒng)?，F(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了多種電弧增材制造裝備系統(tǒng)，主要從電弧行為控制、提高成形效率等幾個角度出發(fā)進(jìn)行研究設(shè)計。

在電弧行為控制方面，陳曦等[13, 14]研究了激光約束電弧增材制造裝備系統(tǒng)，如圖3所示，利用4軸運動裝置將激光器與電弧槍相連接，實現(xiàn)激光器相對于電弧及熔池位置的多向位置調(diào)節(jié)，同時激光可使電弧中更多的中性粒子電離，提高磁場強度與電弧力，并壓縮電弧，提高電弧挺度與穩(wěn)定性。Zuo等[15]研究出非熔化極惰性氣體保護(tungsten inert gas，TIG)焊與熔化極惰性氣體保護(melt inert-gas，MIG)焊相復(fù)合的電弧增材制造裝備系統(tǒng)，如圖4所示，TIG鎢極槍接電源負(fù)極、MIG電弧槍接電源正極，基板不接電源，堆積電流從電源正極出發(fā)，經(jīng)過MIG電弧槍中的絲材向TIG鎢極槍傳遞，在絲材、鎢極、基板間形成復(fù)合電弧，由于鎢極接負(fù)極，增強了電子發(fā)射能力，因此電弧穩(wěn)定性顯著提高。從保強等[16]開發(fā)了超音頻非熔化極電弧電源裝備，在變極性方波電弧電流的基礎(chǔ)上疊加超音頻脈沖，對電弧產(chǎn)生調(diào)劑作用，顯著收縮電弧以增大電弧力，從而提高了堆積金屬熔透率并減小了其表面粗糙度。此外，超音頻脈沖還會使電弧產(chǎn)生超聲效應(yīng)，引起熔池震蕩，促進(jìn)熔池中氣體析出并破碎晶粒，從而減小了堆積金屬氣孔率，并細(xì)化了晶粒組織。

圖3 激光約束電弧增材制造裝備模型圖[14]Fig.3 Schematic diagram of laser-constrained wire arc additive manufacturing equipment[14]

圖4 TIG-MIG復(fù)合電弧增材制造裝備原理圖[15]Fig.4 Schematic diagram of TIG-MIG hybrid wire arc additive manufacturing equipment[15]

在提高電弧增材制造成形效率方面，F(xiàn)eng等[17]研究出雙電弧增材制造裝備，并制備出Cr-Ni不銹鋼構(gòu)件，相較于單電弧增材制造裝備，該雙電弧增材制造裝備成形效率提高了1.06倍。顧江龍[18]研究了基于冷金屬過渡(cold metal transfer, CMT)雙電弧增材制造裝備，并通過控制雙絲成分及雙電弧熱輸入，改變了堆積金屬熱流場及組織轉(zhuǎn)變，成功制備出力學(xué)性能較高的2024高強鋁合金構(gòu)件。華中科技大學(xué)電弧增材制造團隊設(shè)計出5電弧槍裝備，如圖5所示，中間槍體可同時產(chǎn)生3電弧，并實現(xiàn)擺動平移增材制造，兩側(cè)的2個電弧槍體為激光與電弧復(fù)合熱源，可保證兩側(cè)堆積金屬的成形精度，并與中間的3電弧進(jìn)行協(xié)同，該裝備可實現(xiàn)成形效率高于15 kg·h-1的電弧增材制造。

圖5 5電弧槍裝備Fig.5 5-arc torch equipment

盡管電弧增材制造適用于大尺寸構(gòu)件的成形，但由于電弧是一個柔性導(dǎo)體，受外界干擾時易導(dǎo)致電弧不穩(wěn)定，一方面造成構(gòu)件成形精度降低，另一方面造成構(gòu)件中氣孔等堆積缺陷，從而降低構(gòu)件成形質(zhì)量。為了提高成形構(gòu)件質(zhì)量以滿足使用要求，現(xiàn)階段國內(nèi)外一些學(xué)者致力于研究增減材復(fù)合制造的方法，以提高構(gòu)件成形精度，也有一些學(xué)者采用電弧增材制造后對構(gòu)件進(jìn)行塑性加工的方法，以消除構(gòu)件的成形缺陷，并基于此開發(fā)出電弧增材制造集成化裝備系統(tǒng)。

Li等[19]研究了集成銑削模塊的電弧增減材一體化裝備，如圖6所示，電弧槍與減材用立銑刀分別安裝在兩個機器人上，復(fù)合制造時，當(dāng)堆積金屬電弧增材制造至一定高度后，立銑刀分別對堆積金屬上表面和側(cè)面進(jìn)行銑削減材，以提高堆積金屬成形精度。Ma等[11]研究了電弧增材制造后銑削加工的裝備系統(tǒng)，以對交叉堆積金屬構(gòu)件單元進(jìn)行減材加工，消除交叉接頭處堆積金屬的凸起部分，提高電弧增材制造時每層堆積金屬的平整度與成形精度。

圖6 集成銑削模塊的電弧增減材一體化裝備[19]Fig.6 Integration equipment of WAAM and milling module[19]

Gu等[20]研究了復(fù)合層間軋制的電弧增材制造裝備，如圖7所示，軋制機構(gòu)為集成笛卡爾三軸運動機構(gòu)的液壓軋機，電弧增材制造每層堆積金屬后，軋機滾輪與堆積金屬接觸，進(jìn)行40 kN軋制，使堆積金屬塑性變形量超過30%，從而有效閉合內(nèi)部氣孔，并破碎堆積態(tài)粗大晶粒，細(xì)化晶粒組織，提高堆積金屬力學(xué)性能。張海鷗等[21]開發(fā)出電弧增材復(fù)合鍛壓、銑削的一體化裝備，實現(xiàn)了電弧增材、塑性加工、減材3個步驟的同時進(jìn)行，可獲得晶粒細(xì)小、無缺陷、組織致密且均勻的金屬件，并已應(yīng)用于高溫合金、鈦合金、鋁合金等材質(zhì)航空過渡端構(gòu)件的制造。Tian等[22]研究出電弧增材制造與超聲噴丸加工復(fù)合的裝備系統(tǒng)，通過往復(fù)超聲噴丸處理消除了電弧增材制造6061鋁堆積金屬的表面氣孔，且在該堆積金屬亞表面引入高密度位錯，提高了其表層區(qū)域堆積金屬強度。

圖7 復(fù)合軋制過程的電弧增材制造裝備[20]Fig.7 WAAM equipment integrated with rolling process[20]

3 電弧增材制造過程控制

電弧增材制造的過程控制決定了堆積金屬成形質(zhì)量及成形效率。現(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者在電弧增材制造過程控制領(lǐng)域的研究主要涉及基本工藝參數(shù)控制、實時自動化控制、路徑規(guī)劃等3個方面。

3.1 基本工藝參數(shù)控制

電弧增材制造工藝參數(shù)主要包括堆積電流、堆積電壓、送絲速度、熱輸入、堆積速度、層間溫度等，合理的工藝參數(shù)搭配有利于獲得成形質(zhì)量好、內(nèi)部缺陷少的堆積金屬。Cong等[23]針對ER2319鋁堆積金屬，以氣孔率最小為目標(biāo)，優(yōu)化出常規(guī)CMT、脈沖CMT、變極性CMT、脈沖變極性CMT 4種電弧增材制造電流波形(圖8)的工藝窗口，指出較小的熱輸入有利于獲得較淺的熔深，減小氣體逸出距離，有利于氣體析出，從而降低堆積金屬氣孔率。柏久陽等[24]通過二次通用旋轉(zhuǎn)組合的方法，建立了ER2319鋁堆積金屬寬度與非熔化極電弧增材制造的堆積電流、堆積速度、送絲速度、層間溫度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，該模型預(yù)測精度為3.31%，具有較好的預(yù)測效果。Wu等[25]研究了層間溫度對非熔化極電弧增材制造Ti-6Al-4V時電弧行為的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)層間溫度高于200 ℃時，熔池產(chǎn)生的金屬蒸汽會顯著增加電弧低溫區(qū)域的熱量，導(dǎo)致潛在的電弧收縮，從而有利于絲材熔化，提高每層的堆積量。

3.2 實時自動化控制

實現(xiàn)電弧增材制造過程的實時自動化控制有助于提高電弧增材制造的成形精度與智能化程度。Xiong等[26]基于單神經(jīng)元自學(xué)習(xí)算法對堆積金屬高度進(jìn)行閉環(huán)控制，通過高速攝像采集堆積金屬高度信息，并反饋給電弧槍運動機構(gòu)，從而調(diào)節(jié)電弧槍空間位置，使堆積金屬高度誤差維持在0.4 mm以內(nèi)。Shah等[27]基于局部閾值法建立了攝像機像素與機器人運動路徑的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，無需額外傳感器即可實現(xiàn)機器人的視覺控制，實時進(jìn)行機器人在電弧增材制造過程中的空間位置及運動參數(shù)監(jiān)測。高金蘭等[28]以實時堆積電流、電壓值與預(yù)設(shè)值的偏差作為反饋信號，通過比例-積分-微分控制電路監(jiān)測電弧增材制造過程中的絲材干伸長及送絲速度，并進(jìn)行實時調(diào)整，保證了堆積時的電弧挺度及穩(wěn)定性，提高了堆積金屬構(gòu)件的成形精度。Zhao等[29]提出了一種基于光譜和視覺協(xié)同監(jiān)測的電弧增材制造質(zhì)量實時控制方法，進(jìn)一步通過在一個堆積波形周期內(nèi)的峰值電流下采集光譜信息、在基值電流下采集熔池圖像信息，實現(xiàn)了協(xié)同監(jiān)測；進(jìn)一步通過對光譜信息采取局部先驗閾值處理、對熔池視覺信息進(jìn)行輪廓特征最近鄰分類處理，捕捉堆積過程中的異常點，實時調(diào)整堆積電流，保證了電弧增材制造過程的工藝穩(wěn)定性。

圖8 CMT典型模式下的電流、電壓波形圖[23]：(a)常規(guī)CMT，(b)脈沖CMT，(c)變極性CMT，(d)脈沖變極性CMTFig.8 Current and voltage waveforms of typical mode of CMT[23]：(a)conventional CMT，(b)pulse CMT，(c)advance CMT，(d)pulse advance CMT

3.3 路徑規(guī)劃

電弧增材制造路徑規(guī)劃主要包括構(gòu)件切片方式規(guī)劃與每個切片內(nèi)路徑填充方式的規(guī)劃，由于電弧增材制造是通過自下而上層層堆積來實現(xiàn)實體構(gòu)件制造，因此層與層之間的切片方式以及層內(nèi)的路徑填充策略均影響著堆積金屬的成形精度與成形效率?，F(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者提出了多種不同的電弧增材制造路徑規(guī)劃策略。Ding等[30]在控制電弧增材制造構(gòu)件的成形精度時發(fā)現(xiàn)，針對特定形狀的構(gòu)件，利用幾何特征自適應(yīng)切片方式能夠有效提高構(gòu)件成形質(zhì)量和成形精度。Ma等[31]基于擺動行走理論，提出利用編制結(jié)構(gòu)實時調(diào)整單道堆積金屬的寬度，可提高單道多層厚壁件的成形精度。Wang等[32]基于注水理論，如圖9所示，將所有路徑的偏置點轉(zhuǎn)移至成形構(gòu)件外輪廓，以保證內(nèi)部填充區(qū)域僅存在平行路徑，并采用順序形成整體堆積路徑的方式，實現(xiàn)了帶孔結(jié)構(gòu)和不帶孔結(jié)構(gòu)構(gòu)件的高質(zhì)量、高精度成形。

華中科技大學(xué)電弧增材制造團隊[10]針對高層建筑九向鋼節(jié)點的復(fù)雜空間曲面問題，提出了利用曲面分層切片的方式對管-管相貫結(jié)構(gòu)進(jìn)行電弧增材制造，如圖10所示，根據(jù)管體相貫情況取空間相貫曲面作為切片，并在切片內(nèi)采取由外輪廓向內(nèi)輪廓等距偏置65%單道堆積金屬寬度的路徑填充方式，實現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)用九管相貫鋼節(jié)點的電弧增材制造。

圖9 基于注水理論的切片原理示意圖[32]Fig.9 Schematic diagram of slicing principle based on water injection theory[32]

圖10 基于空間相貫曲面的多向鋼節(jié)點相貫部位的曲面切片[10]Fig.10 Curved slicing of intersecting parts of steel multidirectional joints based on spatial intersecting surface[10]

4 高性能金屬材料在電弧增材制造過程中的冶金行為

4.1 高強鋁合金

高強鋁合金為室溫拉伸強度大于480 MPa的變形鋁合金，一般指2系硬鋁(Al-Cu-Mg合金系)和7系超硬鋁(Al-Zn-Mg-Cu合金系)。

現(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者對于2系高強鋁的電弧增材制造，多采用ER2319鋁絲材成形與2219鋁合金成分相近的Al-6.3Cu堆積金屬，或通過多絲共熔成形與2024鋁合金成分相近的Al-4.3Cu-1.4Mg堆積金屬。Gu等[33]研究表明，Al-6.3Cu堆積金屬在電弧增材制造過程中經(jīng)歷了非平衡凝固過程，其顯微組織呈鑄造狀態(tài)，由α-Al枝晶、晶間網(wǎng)狀(α-Al+θ-Al2Cu)共晶組織以及晶內(nèi)的大尺寸θ-Al2Cu相組成，極少存在彌散細(xì)小的沉淀強化相，因此導(dǎo)致其抗拉強度僅為250 MPa左右。Pickin等[34]通過ER2319鋁絲材與Al-Mg系ER5556絲材雙絲耦合共熔，電弧增材制造出2024鋁堆積金屬，該堆積金屬顯微組織同樣呈鑄造狀態(tài)，由粗大的α-Al枝晶和晶間網(wǎng)狀(α-Al+θ-Al2Cu+S-Al2CuMg)共晶組織組成，由于缺少析出相的沉淀強化作用，導(dǎo)致其抗拉強度最高僅達(dá)到310 MPa。

對電弧增材制造2系堆積金屬進(jìn)行固溶復(fù)合時效后續(xù)熱處理，可消除堆積金屬內(nèi)粗大枝晶組織，并通過促進(jìn)沉淀強化作用提高堆積金屬力學(xué)性能。Qi等[35]對電弧增材制造的2024鋁堆積金屬進(jìn)行了498 ℃固溶溫度和90 min固溶時間的熱處理，以消除粗大的α-Al枝晶和脆硬相S-Al2CuMg，提高堆積金屬組織均勻性，同時，熱處理還可促進(jìn)亞穩(wěn)Al-Cu相的析出，產(chǎn)生沉淀強化，使該堆積金屬抗拉強度達(dá)到450 MPa。Gu等[33]對電弧增材制造的Al-6.3Cu堆積金屬進(jìn)行了535 ℃固溶溫度和90 min固溶時間的熱處理后發(fā)現(xiàn)，亞穩(wěn)θ’-Al2Cu相從α-Al基體中析出，產(chǎn)生了沉淀強化(圖11)，使堆積金屬抗拉強度由300 MPa提高至450 MPa以上。

圖11 Al-6.3Cu堆積金屬顯微組織[33]：(a)熱處理前，(b)熱處理后Fig.11 Microstructure of Al-6.3Cu depositions[33]：(a)before heat treatment，(b)after heat treatment

對于以Al-Zn-Mg-Cu作為主要合金系的7系鋁，如下獨特性質(zhì)導(dǎo)致其具有較差的電弧增材制造成形性：① Mg，Zn組分易燒損蒸發(fā)。Mg，Zn的沸點分別為1090和907 ℃，遠(yuǎn)低于熔池溫度，小熱輸入條件下，Mg，Zn過渡時即可釋放大量蒸汽，增多堆積飛濺量，且難以保證堆積金屬的成分與性能。② 高熱裂紋傾向。Cu的加入降低了Al-Zn-Mg的共晶點，并引入了Al-Mg-Cu系共晶相S-Al2CuMg相，顯著增大了凝固區(qū)間與脆性溫度區(qū)間，同時，鋁材的凝固收縮率是鋼材的2倍，凝固時晶間切應(yīng)力較大，導(dǎo)致裂紋傾向較高。

鑒于7系鋁的上述特點，現(xiàn)階段適用于電弧增材制造的7系鋁絲材較少，且國內(nèi)外關(guān)于7系鋁電弧增材制造的研究亦較少，仍處于起步階段。2019年，加州大學(xué)洛杉磯分校Sokoluk等[36]率先通過熔鹽助滲納米TiC工藝研制出了裂紋傾向較低的直徑為3.2 mm的7075鋁實芯絲材。納米TiC在絲材表面均勻分散，且在電弧增材制造時穩(wěn)定過渡，與α-Al相、η-MgZn2相晶格錯配度分別為5.8%，5.6%，因此，其優(yōu)先對共晶η相異質(zhì)形核，并在細(xì)化α-Al晶粒的同時有效減小了共晶量與凝固區(qū)間，顯著降低了堆積金屬裂紋傾向。2020年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)Dong等[37]成功制備出直徑為1.2 mm的7055鋁實芯絲材，并利用該絲材電弧增材制造出單道直壁。該堆積金屬內(nèi)部α-Al主要表現(xiàn)出<011>織構(gòu)，分布于α-Al上的第二相為η-Mg(Zn, Cu, Al)2和Al7Cu2Fe，且存在T-Al2Mg3Zn3和η’-Mg(Zn, Cu, Al)2的析出相，然而，由于電弧增材制造的多次熱循環(huán)作用，使得析出相尺寸由納米級增加至1 μm左右，同時，由于Mg，Zn的大量蒸發(fā)可能會增加電弧增材制造時的氣體含量，導(dǎo)致堆積金屬內(nèi)部存在氣孔。

此外，Ge等[38]指出，相較于以激光為熱源的增材制造技術(shù)，電弧增材制造具有更慢的冷卻速率，使得以7系鋁為代表的高熱裂紋傾向鋁合金具有相對較長的晶間液相填充時間，從而有利于降低堆積時的熱裂紋傾向，如圖12所示，分別采用激光選區(qū)熔化(圖12a和12b)和電弧增材制造(圖12c)成形7系鋁合金[39-41]，電弧增材制造7系鋁合金裂紋傾向極少或幾乎無裂紋。

圖12 7075鋁合金光學(xué)顯微鏡照片：(a，b)激光選區(qū)熔化增材制造[39, 40]，(c)電弧增材制造[41]Fig.12 Optical images of 7075 aluminum alloy：(a，b) additively manufactured through laser selective melting [39, 40],(c) wire arc additive[41]

無論2系鋁還是7系鋁，其在電弧增材制造過程中的氣孔傾向均是不可忽視的關(guān)鍵問題之一。鋁在室溫下即可形成氧化膜，氧化膜易吸收水分，引入氫氣，當(dāng)液態(tài)鋁凝固時，[H]的溶解度降低約95%，同時，鋁的冷卻速度是鋼鐵的4～7倍，導(dǎo)致析出的大量H2難以充分逸出，從而在堆積金屬內(nèi)部滯留，形成氣孔。

目前，主要通過調(diào)整堆積工藝或在電弧增材制造后輔以二次形變加工的方法減少鋁堆積金屬內(nèi)部氣孔。Cong等[23]指出，采用變極性電流可增強陰極霧化效果，破碎絲材及基板表面的氧化膜，減少氫氣來源；采用脈沖電流可使熔池震蕩，有利于氣體逸出；減小堆積熱輸入可減小熔深，縮短氣體逸出行程，有利于氣體逸出，3種波形均可有效減小堆積金屬內(nèi)部氣孔。當(dāng)采用小熱輸入的變極性脈沖電流波形時，可獲得幾乎無氣孔的堆積金屬，然而，此時的堆積金屬熔深小于1 mm，難以保證堆積金屬之間的結(jié)合力，且堆積金屬呈向上凸起的球形而未在基板上鋪展，如圖13所示，使得多道堆積時難以在堆積金屬根部搭接。Gu等[20, 42]在2系鋁單道多層電弧增材制造過程中輔以40 kN和40%變形量的層間軋制，通過變形力使氣孔壓合，并迫使氣孔內(nèi)H2分解為[H]向高密度位錯處擴散滯留，從而有效閉合堆積金屬內(nèi)部氣孔，如圖14所示。此外，層間軋制亦破碎了枝晶組織，產(chǎn)生了細(xì)晶強化，相較于純堆積態(tài)金屬，具有低氣孔率與細(xì)晶組織的軋制后堆積金屬的力學(xué)性能提高了約30%。然而，層間軋制的加工范圍受制于軋輥的尺寸及形狀，這會限制鋁堆積金屬構(gòu)件的成形形狀，并增加裝備平臺的復(fù)雜度，降低裝備靈活度，提高制造成本。因此，對于鋁堆積金屬內(nèi)部氣孔的消除，未來應(yīng)在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，針對多道多層及復(fù)雜結(jié)構(gòu)堆積金屬構(gòu)件整體氣孔的消除進(jìn)行更加深入的研究。

圖13 變極性脈沖電弧增材制造ER2319堆積金屬截面[23]Fig.13 Cross-section of ER2319 depositions WAAMed through variant-polarity hybrid with pulsed current[23]

圖14 Al-6.3Cu堆積金屬氣孔[20]：(a)軋制前，(b)軋制后Fig.14 Pore in Al-6.3Cu depositions[20]：(a)with rolling，(b)without rolling

4.2 鈦合金

鈦合金密度值約為4.5 g·cm-3左右，強度值最高可達(dá)1600 MPa，具有低密度、高強度的優(yōu)點，同時也具有良好的耐腐蝕性及高溫力學(xué)性能[43]。室溫狀態(tài)下的鈦能夠與氧反應(yīng)形成致密的氧化鈦薄膜，該薄膜具有較強的穩(wěn)定性，可以阻礙鈦的進(jìn)一步氧化。當(dāng)溫度處于540 ℃以上時，鈦與氧反應(yīng)生成的氧化薄膜將不再致密，隨著溫度的繼續(xù)升高，鈦與空氣中氧的反應(yīng)傾向也隨之增大，造成構(gòu)件力學(xué)性能下降。由于電弧增材制造通過往復(fù)層層堆積成形金屬構(gòu)件，已成形部分會受到后續(xù)堆積時的多次熱循環(huán)作用，如何避免堆積金屬在冷卻及后續(xù)再次加熱過程中出現(xiàn)氧化現(xiàn)象是鈦合金電弧增材制造的關(guān)鍵問題之一。

目前常用來避免電弧增材制造鈦合金堆積金屬氧化問題的2種方式為絲材表面清洗和氬氣保護。絲材表面清洗，即在電弧增材制造過程前，利用酒精或者丙酮清洗絲材表面以消除氧源，降低堆積金屬內(nèi)部含氧量；氬氣保護，即在電弧增材制造過程中增加氬氣保護罩，或在全封閉氬氣氛腔室內(nèi)進(jìn)行堆積，以對絲材加熱熔化和熔池金屬冷卻過程進(jìn)行全程氬氣保護。

此外，相較于激光、電子束，電弧具有低的能量密度；相較于激光、電子束增材制造，電弧增材制造具有低的熱輸入、慢的冷卻速度、小的溫度梯度，均有利于鈦合金堆積金屬獲得近等軸晶組織[38, 44]。圖15為通過激光、電子束、電弧增材制造TC4直壁堆積金屬的顯微組織照片[44-46]，由于采用激光、電子束增材制造時堆積金屬冷卻速度極快，β晶粒易沿散熱方向形成大尺寸柱狀晶，而電弧增材制造所得堆積金屬具有更多的等軸晶粒組織，因此采用電弧增材制造更有利于降低堆積金屬的力學(xué)性能各向異性。

圖15 TC4堆積金屬顯微組織：(a)電子束增材制造[45]，(b)激光增材制造[46]，(c)電弧增材制造[44]Fig.15 Microstructures of TC4 depositions through electron-beam additive manufacturing(a)[45], laser additive manufacturing(b)[46] and wire arc additive manufacturing(c)[44]

目前國內(nèi)外學(xué)者在改善電弧增材制造鈦堆積金屬組織、提高成形構(gòu)件力學(xué)性能并進(jìn)一步降低構(gòu)件性能各向異性等方面進(jìn)行了廣泛的研究。Donoghue等[47]在電弧增材制造后對鈦堆積金屬進(jìn)行軋制處理，利用外部壓力細(xì)化構(gòu)件晶粒尺寸，提高構(gòu)件力學(xué)性能。Mcandrew等[48]采用層間軋制技術(shù)有效破碎了粗大的β相晶粒，如圖16所示，使堆積金屬力學(xué)性能提高了20.3%。何智[49]利用超聲沖擊的方式使粗大的柱狀晶β相轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶β相。除了外部施加壓力外，利用合金化引入第二相質(zhì)點也是當(dāng)前提高構(gòu)件力學(xué)性能的研究熱點之一。Bermingham等[50, 51]結(jié)合鈦合金相圖計算得到促進(jìn)電弧增材制造鈦合金構(gòu)件由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)模型，并通過將六硼化鑭(LaB6)醇基涂料涂敷在絲材上，使電弧增材制造過程中LaB6發(fā)生冶金反應(yīng)，形成TiB作為第二相形核質(zhì)點，促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，從而細(xì)化晶粒，提高構(gòu)件力學(xué)性能。Mereddy等[44]將含Si的醇基凝膠涂敷在鈦堆積金屬表面，從而向堆積金屬中引入Si元素，Si的偏析會使得構(gòu)件中出現(xiàn)成分過冷現(xiàn)象，可限制柱狀晶的長大，促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，如圖17所示。因此，采用機械力破碎β相晶?；蛲ㄟ^引入第二相質(zhì)點改變β相晶粒生長行為，均可以有效消除電弧增材制造鈦堆積金屬中粗大的單向柱狀晶組織，提高構(gòu)件力學(xué)性能。

圖16 電弧增材制造鈦合金的β晶粒[39]：(a)軋制前，(b)軋制后Fig.16 β grains of WAAMed titanium alloy[39]：(a)with rolling，(b)without rolling

圖17 電弧增材制造不同含Si量鈦堆積金屬中的β晶粒[44]：(a) 0.04% Si，(b) 0.19% SiFig.17 β-grain in WAAMed titanium depositions with various Si contents[44]：(a) 0.04% Si，(b) 0.19% Si

4.3 高強鋼

高強鋼具有較高的強度和韌性，被廣泛應(yīng)用于高層建筑、橋梁、海洋平臺、化工裝備等領(lǐng)域中關(guān)鍵構(gòu)件的制造。

高強鋼中的顯微組織類型眾多，包括針狀鐵素體、晶界鐵素體、上貝氏體、下貝氏體、珠光體和馬氏體等。其中，針狀鐵素體和下貝氏體是構(gòu)件中希望獲得的理想組織，這主要是由于針狀鐵素體具有約1.2×1010cm-2的高密度位錯纏結(jié)，且以氧化物、氮化物等質(zhì)點為核心放射性生長，使接觸的針狀鐵素體相互限制，無法任意生長，從而具有細(xì)的晶粒尺寸，有效提高高強鋼的強韌性；下貝氏體由針狀鐵素體呈一定交角構(gòu)成，且碳化物彌散析出于鐵素體內(nèi)，使裂紋不易穿過，同樣可使高強鋼具有較高的強韌性。因此，在電弧增材制造高強鋼時，研究人員希望在堆積金屬中獲得針狀鐵素體與下貝氏體，以保證堆積金屬具有較高的強韌性。

Dirisu等[52]和Sridharan等[53]指出，隨著電弧增材制造高強鋼堆積金屬中Ti含量由0.003%提高至0.021%，Ti的氧化夾雜物對針狀鐵素體的異質(zhì)形核作用增強，從而增加了堆積金屬中針狀鐵素體的百分比，同時，夾雜物的彌散分布會釘扎在針狀鐵素體和魏氏體晶界，這有利于堆積金屬獲得細(xì)晶組織，可使堆積金屬力學(xué)性能提高約30%。Haden等[54]和Rodrigues等[55]研究表明，電弧增材制造低合金高強鋼堆積金屬直壁中，針狀鐵素體與下貝氏體并未在平行或垂直于堆積方向上呈現(xiàn)明顯的生長方向性差異，從而使堆積金屬獲得了各向同性的力學(xué)性能。這可能是由于針狀鐵素體以夾雜物作為核心進(jìn)行放射性生長，從而導(dǎo)致針狀鐵素體簇整體方向性較不顯著。Ge等[56]對比了電弧增材制造2Cr13鋼，激光直接沉積304不銹鋼、304L不銹鋼，以及激光選區(qū)熔化成形316不銹鋼、316L不銹鋼、17-4PH鋼的力學(xué)性能各向異性，圖18為上述成形金屬在垂直、平行于堆積方向上的抗拉強度對比，數(shù)據(jù)點在對角線上意味著兩方向上的抗拉強度相同，2Cr13 AM為電弧增材制造所得堆積金屬抗拉強度，2Cr13 BM為基板抗拉強度，其余均為通過激光直接沉積、激光選區(qū)熔化所成形金屬抗拉強度。電弧增材制造產(chǎn)生的周期性高熱輸入引起了鐵素體與馬氏體的隨機取向，使堆積金屬平行和垂直于堆積方向上的抗拉強度基本相同，相較于其它方法獲得的堆積金屬，通過電弧增材制造獲得的高強鋼堆積金屬力學(xué)性能更加均勻。宋守亮等[57]通過向絲材中引入V元素，促使電弧增材制造高強鋼時堆積金屬中具有高密度位錯纏結(jié)的針狀鐵素體與板條貝氏體增多，同時，隨著V元素含量提高，碳化釩(VC)析出相逐漸增多，其對針狀鐵素體與板條貝氏體的釘扎作用逐漸增強，有效降低了晶粒尺寸，使堆積金屬抗拉強度提高了約42 MPa。Dai等[58]通過向高強鋼絲材中引入Zr元素，使電弧增材制造堆積金屬中形成了ZrO2·Al2O3·MnO·SiO2·MnS復(fù)合夾雜物，如圖19所示，該夾雜物可有效誘導(dǎo)針狀鐵素體異質(zhì)形核，同時促進(jìn)針狀鐵素體、先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體向尺寸更小的細(xì)晶鐵素體轉(zhuǎn)變，使晶粒細(xì)化效果增強，堆積金屬抗拉強度達(dá)564 MPa。因此，通過控制異質(zhì)形核使堆積金屬在電弧增材制造過程中形成針狀鐵素體、板條下貝氏體及細(xì)晶鐵素體等強韌性組織，可使電弧增材制造高強鋼構(gòu)件具有高強度與高韌性的優(yōu)異力學(xué)性能。

圖18 堆積金屬在垂直、平行于堆積方向上的抗拉強度對比[56]Fig.18 Comparison of tensile strength of deposited metal in vertical and parallel directions[56]

圖19 電弧增材制造高強鋼堆積金屬SEM照片(a)；電弧增材制造高強鋼堆積金屬中ZrO2·Al2O3·MnO·SiO2·MnS復(fù)合夾雜物的EDS成分分析(b)與EDS面掃描圖譜(c)[58]Fig.19 SEM image of WAAMed high-strength low-alloying steel depositions(a)；EDS analysis(b)and EDS mapping(c)of ZrO2·Al2O3·MnO·SiO2·MnS composite inclusions in WAAMed high-strength low-alloying steel depositions [58]

5 電弧增材制造技術(shù)的應(yīng)用

近年來，隨著國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛研究，電弧增材制造技術(shù)已由最早的理論積累與實驗室預(yù)研階段向?qū)嶋H應(yīng)用方向發(fā)展，在多個領(lǐng)域的多種高性能金屬構(gòu)件上均出現(xiàn)了電弧增材制造的成熟應(yīng)用案例。

國外如加拿大Bombardier公司增材制造出飛機起落架肋板，如圖20所示，由于成形后僅通過對構(gòu)件表層5 mm以內(nèi)深度進(jìn)行減材來提高構(gòu)件表面光潔度，因此整個構(gòu)件制造過程節(jié)省了約78%的原材料[4]；荷蘭Damen造船廠聯(lián)合德國Promarin螺旋槳制造商使用電弧增材制造成功制造出拖船用螺旋槳，并獲得了船級社認(rèn)證[8]；荷蘭Huisman公司電弧增材制造出1000 kg重的海上起重機吊鉤構(gòu)件，并通過了80 000 t載荷試驗，投入至海洋重大工程應(yīng)用中[59]。2019年，法國Thales宇航公司聯(lián)合英國Cranfield大學(xué)成功電弧增材制造出第一個全尺寸鈦合金壓力容器，并將其用于未來空間探索載人任務(wù)[9]。

圖20 電弧增材制造的飛機起落架肋板[4]Fig.20 WAAMed external landing gear assembly[4]

國內(nèi)如北京航空航天大學(xué)通過電弧增材制造復(fù)合表面銑削加工，制造出3000 mm×1000 mm×1000 mm的大型鋁合金航空薄壁件，如圖21所示，該方法使構(gòu)件制造周期縮短70%，且使成形構(gòu)件尺寸偏差在7%以內(nèi)[11]。首都航天機械有限公司和北京航星機械制造公司李權(quán)等[60]采用Al-Cu、Al-Si、Al-Mg鋁合金材質(zhì)，成功通過電弧增材制造了管路支架、殼體、框梁等航空、航天領(lǐng)域關(guān)鍵構(gòu)件單元，該構(gòu)件力學(xué)性能均優(yōu)于同成分鑄鍛件。

圖21 電弧增材制造的鋁合金薄壁件[11]Fig.21 WAAMed thin-walled aluminum alloy parts[11]

華中科技大學(xué)電弧增材制造團隊[10, 57]通過曲面切片與輪廓等距偏置填充路徑的方式電弧增材制造出高層建筑結(jié)構(gòu)用九向鋼節(jié)點構(gòu)件(圖22a)以及艦船用艉軸架(圖22b)等構(gòu)件，該構(gòu)件尺寸誤差均在2%以內(nèi)，且力學(xué)性能超過同成分鑄件10%以上。此外，華中科技大學(xué)電弧增材制造團隊還基于分區(qū)增材策略電弧增材制造了ER5356鋁運載火箭多級過渡端框模擬件，模擬件尺寸精度在3.6 mm以內(nèi)，并進(jìn)一步探索出后續(xù)熱處理強化工藝，使最終熱處理強化后的過渡端框構(gòu)件力學(xué)性能超過同成分鍛件[61]。

圖22 電弧增材制造多向鋼節(jié)點(a)與艉軸架(b) [10, 57]Fig.22 WAAMed parts of multi-directional steel joints(a) and marine propeller bracket(b)[10, 57]

6 結(jié) 語

近年來，針對電弧增材制造裝備、工藝、材料冶金行為等方面的問題，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究，并取得了許多有價值的成果。然而，目前的研究多停留在簡單的設(shè)備集成、工藝參數(shù)微調(diào)以及低智能化水平的過程控制階段，在材料組織與性能調(diào)控方面，并未對調(diào)控精度及多性能協(xié)同精確控制等進(jìn)行深入的理論分析。同時，目前的研究多是針對單道多層的直壁件堆積金屬，而少有針對多層多道或復(fù)雜結(jié)構(gòu)堆積金屬的成形策略與組織、性能研究。未來電弧增材制造技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)主要集中在以下幾個方面：

(1)設(shè)備與工藝的智能化、集成化：針對不同的材料及構(gòu)件形狀，在現(xiàn)階段工業(yè)機器人與電弧電源結(jié)合的電弧增材制造設(shè)備基礎(chǔ)上，復(fù)合激光裝置、多種信號傳感監(jiān)測裝置等硬件，以及工藝數(shù)據(jù)庫、機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)等軟件，提高電弧增材制造集成化與智能化程度。

(2)路徑規(guī)劃新策略及應(yīng)用軟件：電弧增材制造的優(yōu)勢是能夠?qū)崿F(xiàn)大型、復(fù)雜金屬構(gòu)件的成形，因此，應(yīng)針對不同結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和特定的材料，制定合適的切片方式與切片內(nèi)路徑規(guī)劃策略，形成數(shù)據(jù)庫，并基于數(shù)據(jù)庫設(shè)計自動化路徑規(guī)劃軟件，提高電弧增材制造成形效率。

(3)專用金屬絲材：現(xiàn)階段多采用焊絲作為原材料進(jìn)行電弧增材制造，焊絲應(yīng)用領(lǐng)域主要為堆積量較少的連接工程，堆積時的物理場、材料冶金行為與多層多道堆積的電弧增材制造具有較大差異，導(dǎo)致利用焊絲進(jìn)行電弧增材制造時易出現(xiàn)堆積金屬成分不達(dá)標(biāo)、飛濺、夾渣等各種問題，因此，開發(fā)具有較高成分穩(wěn)定性與工藝穩(wěn)定性的電弧增材制造專用絲材具有一定的必要性。

(4)組織與性能精確調(diào)控：通過電弧增材制造得到高性能大型金屬構(gòu)件是該制造方法的最終目標(biāo)，然而電弧增材制造的冶金行為較為復(fù)雜，這就要求針對電弧增材制造每一階段的物理和化學(xué)冶金過程都進(jìn)行深入的研究和分析，使成形構(gòu)件任意部分的組織和性能都能得到精確調(diào)控，最終實現(xiàn)幾何形狀與力學(xué)性能一體化成形。

(5)應(yīng)用方面：電弧增材制造目前多用于大型尺寸、中低復(fù)雜程度構(gòu)件的高效高質(zhì)量成形，而Abe等[62]、Li等[63]和Xu等[64]在電弧增材制造細(xì)徑桿件、多種構(gòu)型點陣結(jié)構(gòu)上的嘗試，證明了電弧增材制造對于精細(xì)構(gòu)件的成形同樣具有潛力，在高復(fù)雜程度構(gòu)件的制造上具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，由于電弧增材制造原材料為絲材，通過多絲材協(xié)同或成分調(diào)控，可使構(gòu)件不同堆積部位具有不同的化學(xué)成分與組織性能，實現(xiàn)異種材料、多功能梯度構(gòu)件的整體化制造。因此，電弧增材制造有望在船舶、核電、化工等領(lǐng)域多材料構(gòu)件的制造中發(fā)揮重要作用。