鋁合金電弧增材制造技術(shù)研究進展

方學(xué)偉 ， 楊健楠 ， 陳瑞凱 ， 黃 科 ， 盧秉恒

1.西安交通大學(xué) 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西 西安 710049

2.國家增材制造創(chuàng)新中心，陜西 西安 710100

0 前言

零件的制造方式經(jīng)歷了等材、減材到增材三個階段，增材制造技術(shù)的出現(xiàn)為傳統(tǒng)制造技術(shù)的發(fā)展提供了新的途徑，增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）是自20世紀(jì)80年代末的快速成形技術(shù)發(fā)展而來的一種集材料、結(jié)構(gòu)、功能于一體的先進數(shù)字化制造技術(shù)［1-2］。增材制造技術(shù)是制造業(yè)信息化、數(shù)字化、智能化的重要組成內(nèi)容，推動了制造模式從單一形式大批量生產(chǎn)到小批量個性化定制的過渡轉(zhuǎn)變，在航空航天、太空打印、人體器官等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間［3-5］。

金屬增材制造技術(shù)被行業(yè)認(rèn)為是最具難度的前沿發(fā)展方向，也是最直接可服務(wù)于裝備制造業(yè)的成形技術(shù)［6］。金屬增材制造可以實現(xiàn)傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)的高度復(fù)雜金屬構(gòu)件直接制造，如金屬假體、航空航天復(fù)雜結(jié)構(gòu)等的直接應(yīng)用［7］。近30年來高校、科研院所、工業(yè)界的研究者們圍繞金屬增材制造所涉及的材料、工藝、過程模擬、應(yīng)力變形控制、缺陷分析及后處理等諸多方面開展了大量研究［8］。美國材料與實驗協(xié)會（ASTM）委員會于2012年1月頒布了增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)用語ASTM F2792—12［9］，將金屬增材制造技術(shù)分為粉末床熔融（Powder Bed Fusion，PBF）和直接能量沉積（Directed Energy Deposition，DED）兩大類。后來國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）與ASTM合作定制了ISO/ASTM52900：2015［10］標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)使用ASTM F2792—12的術(shù)語，圖1詳細(xì)列出了典型金屬增材制造技術(shù)，PBF技術(shù)包括選擇性激光熔化［11］（Selective Laser Melting，SLM）、電子束選區(qū)熔化［12］（Electron Beam Melting，EBM）、直接激光燒結(jié)［13］（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）、選擇性激光燒結(jié)［14］（Selective Laser Sintering，SLS）四種。DED技術(shù)根據(jù)原材料不同分為同步送粉和同步送絲兩種方式，激光近凈成形［15］（Laser Engineered Net Shaping，LENS）是最典型的同步送粉成形方式。同步送絲包括電子束熔絲沉積成形［16］（Electron Beam Freeform Fabrication，EBFF）、激光熔絲增材制造［17］（Laser Wire Additive Manufacturing，LWAM）和電弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM）［18］三種?；谡辰觿┑膰娚涑尚危?9］（Binder Jetting，BJ）和超聲固相連接增材制造（Ultrasonic additive manufacturing，UAM）［20］被認(rèn)為是間接金屬增材制造技術(shù)。

圖1 金屬增材制造技術(shù)分類Fig.1 Classification of metal additive manufacturing technologies

不同的金屬增材制造技術(shù)有著其自身獨有的特點?；赑BF原理的增材制造技術(shù)成形粉末尺寸小，激光或電子束能量源可以實現(xiàn)熔化和凝固過程的調(diào)控，從而保證高尺寸精度，但是制造周期長、設(shè)備和材料成本高。與之相反，基于DED原理的送粉式增材制造技術(shù)，因其采用粉末為原料，需要特殊氣氛保護，粉末利用率低，設(shè)備成本昂貴，難以實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件制造。基于DED原理的熔絲增材制造成形過程中具有大熔池和層厚的特點，可快速實現(xiàn)大尺寸構(gòu)件制造，但熔絲增材制造的成形件表面粗糙，需要后續(xù)機加工以保證表面質(zhì)量。

基于PBF和DED增材制造工藝的特點對比如表1所示。SLM［21］最小壁厚可以達到80 μm，最佳表面粗糙度可到Ra5以內(nèi)。但該技術(shù)成形效率低，一般小于20 cm3/h，設(shè)備成本昂貴，成形尺寸受加工設(shè)備限制，目前SLM設(shè)備最大成形體積小于0.1 m3。EBM設(shè)備［22］因成形倉需真空環(huán)境，最大成形體積小于0.03 m3，成形效率也小于80 cm3/h。這兩種PBF設(shè)備只適用于小尺寸高度復(fù)雜構(gòu)件的制造，難以實現(xiàn)大尺寸金屬結(jié)構(gòu)的直接制造。LENS［23］成形過程中隨著激光功率、光斑大小、掃描速度等工藝參數(shù)的變化，其最大成形效率可達300 cm3/h，層厚可控制在40 μm～1 mm之間。與LENS技術(shù)相比，熔絲增材制造技術(shù)［24］層厚可達毫米量級，成形效率高，可達2 500 cm3/h，設(shè)備成本低，材料利用率大于90%，適合制造大型中等復(fù)雜程度近終構(gòu)件的制造。工程應(yīng)用中增材制造技術(shù)的選用與零部件尺寸、復(fù)雜程度、性能、周期及成本都息息相關(guān)，相比傳統(tǒng)加工制造技術(shù)，目前大部分的金屬增材制造零部件都需要一定的后處理，包括熱處理、去毛刺、部分精加工［25］。

表1 基于PBF和DED的增材制造技術(shù)工藝對比［26］Table 1 Comparison of PBF and DED based additive manufacturing technology［26］

隨著航空航天、國防領(lǐng)域的零部件向著高性能、低成本、長壽命、輕量化方面發(fā)展，典型特構(gòu)件越來越多地采用整體結(jié)構(gòu)，零件趨于輕量一體化制造，這大大推動了輕質(zhì)合金在這些領(lǐng)域的應(yīng)用［27］。鈦合金和鋁合金是航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的輕質(zhì)合金，其制造技術(shù)也是衡量金屬增材制造技術(shù)水平優(yōu)劣的重要參考［28］。鋁合金是目前全球應(yīng)用率僅次于鋼的金屬材料，鋁合金具有密度輕、彈性好、比剛度和比強度高、耐磨性和耐腐蝕性優(yōu)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等優(yōu)點，因此鋁合金增材制造技術(shù)受到越來越多研究學(xué)者的關(guān)注［29］。但是由于鋁合金具有較高的激光反射率和熱導(dǎo)率，合金化程度高，結(jié)晶范圍廣，氧化、球化現(xiàn)象嚴(yán)重，在激光和電子束增材成形過程存在熱裂傾向、元素?zé)龘p和蒸發(fā)，成形過程形成大量孔隙和夾雜，成形穩(wěn)定性和可重復(fù)性低的諸多問題，限制了激光和電子束增材制造鋁合金［30］的工程應(yīng)用。

1 電弧熔絲增材制造（WAAM）技術(shù)研究現(xiàn)狀

通過焊接工藝制造近凈形狀部件的概念，自出現(xiàn)到現(xiàn)在已有近百年歷史，電弧增材制造技術(shù)發(fā)展歷程如圖2所示［31］。WAAM技術(shù)沉積速率高、設(shè)備成本低、材料利用率高，由此產(chǎn)生的環(huán)境友好型來制造大型金屬結(jié)構(gòu)件而逐漸受到工業(yè)制造部門的關(guān)注。特別是過去十年，該項技術(shù)的發(fā)展取得了持續(xù)性進展，引起了世界各地研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注。

圖2 WAAM技術(shù)發(fā)展歷程［31］Fig.2 History of WAAM technology development［31］

1.1 WAAM技術(shù)分類

WAAM技術(shù)是以絲材為原料，通過電弧將絲材逐層熔化堆積形成致密金屬零部件的過程。增材制造ASTM F3187-16標(biāo)準(zhǔn)將WAAM技術(shù)歸類于DED 技術(shù)的一種［32］。早在 1920年Baker［33］就申請了一項關(guān)于利用可熔化電極并操縱螺旋路徑成形金屬結(jié)構(gòu)的專利，隨后Shockey等人［34］提交的另一項專利描述了用于厚壁構(gòu)件的焊接工藝，進行了多道結(jié)構(gòu)的成形研究。后來，Ujiie［35］采用逐層沉積金屬方式制造圓形橫截面的壓力容器，并針對成形件內(nèi)外層的加工工藝進行了探討。1983年，Kussmaul等人［36］通過埋弧焊串聯(lián)焊接制造大型結(jié)構(gòu)件，其沉積速率可達20 kg/h。自此以后，隨著計算機和熱源技術(shù)的不斷發(fā)展及增材制造技術(shù)的持續(xù)推進，WAAM技術(shù)得到了諸多學(xué)者更加深入的研究和開發(fā)。Dickens等人［37］利用在線點對點編程的機器人熔化極氣體保護焊工藝，通過逐層沉積方式制造了無支撐的碳鋼薄壁結(jié)構(gòu)。Ribeiro［38］利用開發(fā)的離線監(jiān)測系統(tǒng)允許對計算機輔助設(shè)計模型進行切片，實現(xiàn)了按規(guī)定格式逐層沉積預(yù)期結(jié)構(gòu)。如圖3所示，包括美國［39-40］、英國［41-42］、法國［43］、荷蘭［44］、日本［45］、韓國［46］、印度［47］、澳大利亞［48-49］、中國［50-52］等國家的多個科研單位圍繞WAAM技術(shù)在設(shè)備可操作性、材料處理、路徑規(guī)劃等方面開展了大量的系列化研究，使得WAAM技術(shù)得到快速發(fā)展。

圖3 WAAM技術(shù)世界研究團隊分布［53］Fig.3 Worldwide distribution of WAAM technology-related research teams［53］

根據(jù)WAAM工藝熱源特性的不同，分為熔化極氣體保護焊（Gas Metal Arc Welding，GMAW），鎢極氣體保護焊（Gas Tungsten Arc Welding，GTAW）和等離子氣體保護焊（Plasma Arc Welding，PAW）三種［54］。不同的WAAM技術(shù)有其自身獨特的特點，表2對三種WAAM技術(shù)進行了對比總結(jié)。GMAW技術(shù)以絲材作為熔化極，成形過程不存在方向性問題，效率高，易于實現(xiàn)自動化控制和復(fù)雜零部件的制造，其效率是GTAW和PAW方法的2～3倍；但GMAW在成形過程中電弧會直接作用于焊絲而產(chǎn)生更多的煙塵和飛濺。PAW擁有最大的能量密度，可以實現(xiàn)高熔點難熔金屬的大速度成形并減少變形。

表2 不同電弧增材制造工藝的比較［55］Table 2 Comparison of different arc additive manufacturing processes［55］

WAAM制造系統(tǒng)一般由電弧熱源、自動送絲系統(tǒng)、計算機控制的機器人/數(shù)控平臺和其他附屬機構(gòu)四部分組成。利用WAAM系統(tǒng)實現(xiàn)構(gòu)件制造和其他增材制造方式基本相同，包括三個步驟：路徑規(guī)劃、沉積和后處理［55］。對于給定的CAD模型，通過三維切片和編程軟件為沉積過程生成預(yù)定的機器人/機床運動和焊接參數(shù)，以實現(xiàn)構(gòu)件高幾何精度的無缺陷制造。基于包含具體材料信息的沉積模型，采用三維切片和編程軟件，實現(xiàn)自動路徑規(guī)劃和工藝優(yōu)化以避免潛在的工藝缺陷［70-71］。運動機構(gòu)為焊槍提供精確的運動，以逐層方式成形預(yù)期構(gòu)件，如何通過各種傳感器來測量焊接信號、沉積焊道幾何形狀、熔滴過渡和層間溫度，實現(xiàn)成形過程的在線監(jiān)測和性能調(diào)控，是當(dāng)前和未來的研究熱點。

1.2 冷金屬過渡（CMT）技術(shù)

傳統(tǒng)GMAW在短路過渡過程中焊絲一直往前進送，熔化成熔滴，熔滴與熔池接觸瞬間發(fā)生短路，短路橋抱斷，然后重新引弧，在短路的同時會伴有較大電流和飛濺。為了避免成形過程中大的熱輸入，奧地利Fronius公司在研究鋼和鋁異種材料連接的基礎(chǔ)上，于1997年開發(fā)了無飛濺引弧技術(shù)，又經(jīng)過數(shù)年的努力，發(fā)明了冷金屬過渡技術(shù)（Cold metal transfer，CMT），開發(fā)了全新的GMAW焊接熔滴過渡形式［56］，隨后該公司進行CMT焊接系統(tǒng)的開發(fā)，最后成功將該技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)［57］。

CMT是GMAW的一種創(chuàng)新與變型，與傳統(tǒng)GMAW相比，能以顯著的低熱量輸入生產(chǎn)出質(zhì)量好、無飛濺的焊接結(jié)構(gòu)［58］，因而受到工業(yè)界的廣泛關(guān)注和認(rèn)可。CMT工藝原理如圖4所示。CMT工藝首次將熔滴過渡過程同送絲運動相結(jié)合，區(qū)別于傳統(tǒng)的GMAW被動熔滴過渡方式，當(dāng)焊機的處理器檢測到一個熔滴短路信號就會反饋給送絲機構(gòu)，在熔滴短路的同時，增加了焊絲回抽動作，在焊槍處增加了能夠回抽焊絲的拉絲機構(gòu)，通過焊絲回抽以幫助熔滴過渡，所以熔滴在短路過渡階段電壓和電流幾乎為零，此時沒有新的熱量輸入到熔池中，熔滴過渡在一冷一熱不斷交替中完成，變換頻率達到70 Hz。

圖4 CMT液滴過渡過程原理［59］Fig.4 Schematic of CMT droplet transition process［59］

冷金屬過渡操作的創(chuàng)新性在于短路時對熔絲的機械回抽和電流控制，避免了不必要的功率和溫升，而且精確地控制了金屬填充物的過渡量，從而大大提高了金屬冶金性能。由于出現(xiàn)翹曲和燒穿的可能性較低，Pickin等人［59］已將CMT技術(shù)成功地用于鋁板的焊接和鋁合金［60］和鎳基高溫合金［61］的熔覆。Elrefaey［62］指出，與傳統(tǒng)的GMAW和GTAW相比，CMT焊接的7系鋁合金具有更好的機械特性。Gungor［63］發(fā)現(xiàn)使用CMT焊接5系和6系鋁合金的屈服強度值高于其他任何焊接方法。克蘭菲爾德大學(xué)的Stewart教授團隊已將CMT工藝用于Ti-6Al-4V［64］、銅合金［65］和鋁合金［66］的增材制造。

1.3 WAAM技術(shù)的優(yōu)勢與局限性

WAAM技術(shù)的最大優(yōu)勢就是無需復(fù)雜的氣氛保護，以電弧為熱源將金屬絲材加熱熔化，連續(xù)堆積成形，沉積層厚度可達數(shù)毫米，具有成形效率高、制造成本低等優(yōu)點。對于中大型金屬結(jié)構(gòu)件，與傳統(tǒng)減材加工相比，電弧增材制造系統(tǒng)可將加工時間減少40%～60%，后處理時間減少 15%～20%［67］。例如，最近WAAM技術(shù)取得突破性進展，使得增材制造飛機起落架成為可能，與傳統(tǒng)減材加工相比，可節(jié)省78%的原材料［68］。不同增材制造方式成形件的幾何形貌、相對成本、成形效率和精度方面的特點對比如圖5所示。由圖可知，WAAM技術(shù)的表面波紋度可以控制在0.4 mm，沉積效率為1～4 kg/h，制造成本相對也是最低的；但在精度方面，低于粉末床和噴粉金屬，需要后續(xù)精加工。此外，電弧增材制造樣件的減材過程同電子束和激光直接成形的樣件所需方式一樣。

圖5 WAAM技術(shù)與其他工藝對比Fig.5 WAAM technology versus other processes

WAAM技術(shù)的能量利用率最高可達到90%［69］，電子束作為熱源的能量利用率在20%以內(nèi)［70］，以激光作為熱源的能量利用率小于10%［71］，對于鋁和銅合金等高反射率材料，激光能量利用率甚至不足2%［72］。圖6進一步展示了WAAM技術(shù)相比以激光和電子束為熱源的優(yōu)勢，WAAM技術(shù)的設(shè)備成本更低，同時相對開放的設(shè)備給在線監(jiān)控、缺陷監(jiān)測、無損檢測和減材加工等附加裝置與系統(tǒng)加入提供了充足的空間，更易于實現(xiàn)自動化控制。

圖6 WAAM技術(shù)的優(yōu)缺點雷達圖Fig.6 Radar chart of the advantages and disadvantages of WAAM technology

WAAM技術(shù)以金屬絲材為原料，在原材料制造、存儲以及成本方面相比粉末有著明顯的優(yōu)勢。WAAM使用的絲材，鋼的成本為20～150元/kg，鈦合金為900～2 000元/kg；而采用粉末原料時，同樣的材料成本為600～1 000元/kg和2 600～7 000元/kg。原材料和設(shè)備成本的巨大差異，使得熔絲增材制造的成本不足粉末床的1/10。WAAM制造生產(chǎn)鈦組分構(gòu)件比傳統(tǒng)工藝便宜7%～69%［69］。相比粉末原材料，絲材的制備和保存更容易，不易引起污染，不用考慮粉末粒徑和大小分布，對操作人員更安全。金屬絲材在被電弧熔化全部進入熔池，除了后續(xù)的切削加工，材料利用率幾乎為100%。

WAAM技術(shù)沉積效率最高可達10 kg/h，鋼和鋁的沉積效率一般保持在1～4 kg/h，沉積速度過高會增大切削加工余量，增加成本和制造周期。對于復(fù)雜航空發(fā)動機零件，傳統(tǒng)制造方式的BTF值（不可持續(xù)購買/飛行比）超過30，使用電弧增材制造相同零件時，鋁合金和鈦合金的沉積效率控制在1 kg/h，鋼的沉積效率為3 kg/h時，可以保持BTF<1.5［42］，同時最大程度節(jié)約成本。

在性能方面，Banfeld 等人［44，73］采用 WAAM 技術(shù)制備的Ti6Al4V展示了良好的高周疲勞性能，相比退火態(tài)提升了一個數(shù)量級，相比PBF技術(shù)成形件致密度幾乎為100%，氣孔與夾雜缺陷更少。WAAM成形過程中因無需防護和避免氧化的裝置，成形尺寸不受空間限制。

2 鋁合金WAAM技術(shù)的研究現(xiàn)狀

鋁合金因其良好的耐腐蝕性、高的強度重量比以及能夠與多種金屬和非金屬合金化的獨特性能，近乎成為最具吸引力和最經(jīng)濟的金屬，尤其是鋁/銅、鋁/硅、鋁/鋰和鋁/鎂/鋰合金在現(xiàn)代工藝中，特別是在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

鋁合金具有較低的激光吸收率，與電子束作用過程中會產(chǎn)生大的元素?zé)龘p；鋁合金比重低，極易氧化，使得制粉過程困難，成本高，容易形成微氣孔等缺陷，基于PBF和DED的AM技術(shù)針對鋁合金的研究甚少。與粉末相比，目前市場上可以采購到從1系到5系共30多種牌號的鋁合金絲材，且絲材的成本可以控制在粉末的1/10內(nèi)，這使得WAAM技術(shù)成為鋁合金增材制造的最佳方式，特別是針對航空航天領(lǐng)域的中大型結(jié)構(gòu)的各種肋板結(jié)構(gòu)，比如運載火箭的艙壁、飛機翼梁、桁梁等的高效低成本制造。

2.1 鋁合金WAAM工藝

針對鋁合金WAAM成形，在早期針對性能和工藝圍繞GTAW技術(shù)進行了大量的研究。Wang等［74］探討了變極性GTAW工藝的適用性，針對Al-Si系4043鋁合金進行了研究，成形的圓筒結(jié)構(gòu)從底部、中部到頂部，成形部件的硬度呈遞增趨勢，頂部有細(xì)小的等軸晶，中部和底部有粗大的柱狀晶。Ouyang等［75］采用變極性GTAW工藝成形出5356鋁合金零件，指出影響成形件尺寸精度和表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素是控制基本溫度、層間溫度以及電弧長度。國內(nèi)耿海濱等人采用GTAW技術(shù)針對5A06鋁合金進行了成形工藝分析，優(yōu)化了層間溫度和熱輸入對組織和性能的影響，建立了幾何工藝參數(shù)對沉積尺寸的影響模型，同時針對成形路徑進行優(yōu)化。天津大學(xué)的胡繩蓀教授團隊［76-77］采用GTAW和雙脈沖GMAW技術(shù)對鋁鎂合金成形過程的工藝參數(shù)優(yōu)化、熔池液滴過渡方式和力學(xué)性能進行了分析。挪威科技大學(xué)的Horgar等人［78］針對AA5183鋁合金進行了GMAW增材工藝研究，抗拉強度和屈服強度分別為293 MPa和145 MPa，可進一步優(yōu)化工藝以減少氣體孔隙度和熱裂紋。西安交通大學(xué)的Chang［79］等人利用WAAM制備了由2319（Al-6.5Cu）和5B06（Al-6.4Mg）異種合金組成的部件，其抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為258.5 MPa、139.3 MPa和5.6%?？颂m菲爾德大學(xué)的Stewart教授團隊作為WAAM技術(shù)發(fā)展的引領(lǐng)者，針對2219合金的WAAM成形工藝參數(shù)、氣孔分布缺陷以及力學(xué)性能進行了分析［80］，截至目前Cranfield大學(xué)已經(jīng)實現(xiàn)了長6 m、質(zhì)量達300 kg的Al-Si合金成形。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的柏久陽［81-82］采用GTAW技術(shù)針對2219鋁合金進行了工藝摸索和熱處理強化研究，沉積態(tài)2219鋁合金的平均屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率分別為108 MPa、239 MPa和10.7%，與常規(guī)鑄造2219鋁合金仍有較大差距。

CMT工藝具有低的熱輸入，可對焊絲表面進行有效的氧化皮清理，且其成形組織細(xì)小且氣孔缺陷較少，已成功地用于鋁板焊接和鋁合金增材制造。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的姜云祿［83］對CMT增材制造沉積態(tài)5356鋁合金進行固溶熱處理，并考察熱處理對力學(xué)性能的影響。武漢大學(xué)的Zhang等［84］針對Al-6Mg合金采用變極性CMT模式進行了工藝研究，沉積樣品的抗拉強度達到333 MPa，但是因?qū)娱g氣孔的存在，不同方向的抗拉強度變化幅度達到27%，如圖7所示。南京理工大學(xué)的王克鴻教授團隊［85］針對5356鋁合金采用CMT工藝進行了成形工藝研究，抗拉強度最優(yōu)值達到265 MPa。胡繩蓀教授團隊［86-87］針對鎂/鋁異種金屬的連接進行了CMT焊接研究，獲得了類似熔釬焊的焊接接頭，并對CMT工藝過程的液滴過渡進行了分析。北京航空航天大學(xué)叢保強等［88］指出與采用脈沖CMT和交變CMT工藝沉積的墻結(jié)構(gòu)相比，塊結(jié)構(gòu)中氣孔數(shù)量較少，且有部分孔徑大于50 μm，但沒有很大的氣孔。此外，在塊結(jié)構(gòu)中，具有較低的熱輸入交變CMT顯示出比脈沖CMT更少的氣孔數(shù)量。叢保強等人［89］計算了在送絲速度和焊接速度不變時，常規(guī)CMT、脈沖CMT、交變CMT和脈沖交變CMT技術(shù)的實際熱輸入分別為331.6 J/mm、366.8 J/mm、273.4 J/mm和135.4 J/mm。在相同的沉積速率下，交變CMT和交變脈沖CMT工藝的熱輸入是傳統(tǒng)CMT工藝的0.82和0.4倍。對于傳統(tǒng)的GMAW過渡工藝，采用常規(guī)熱輸入通常高于400 J/mm；然而，對于噴射過渡，該值約為1 000 J/mm。西安交通大學(xué)的研究人員［90-91］針對2219和5183鋁合金進行了CMT成形基礎(chǔ)工藝研究，確定了成形2219鋁合金和5183鋁合金的最佳模式和工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)采用CMT+交流脈沖（CMT+P）模式下2219鋁合金抗拉強度可達283 MPa，采用CMT和交流（CMT+A）模式下5183鋁合金的拉伸強度可達290 MPa。

圖7 Al-6Mg合金WAAM工藝氣孔分布［84］Fig.7 Pore defect inspecting result of typical sample［84］

2.2 氣孔缺陷

氣孔是WAAM工藝成形鋁合金的一個常見缺陷，對構(gòu)件機械性能具有不良影響，故需要減少氣孔缺陷。因原材料和工藝誘發(fā)的氣孔帶來的微裂紋損傷不僅會降低構(gòu)件的機械強度，而且氣孔在空間上的尺寸、形狀和分布會導(dǎo)致沉積層的疲勞性能較低。電弧增材制造的原材料，包括絲材和基板，通常有一定程度的表面污染，例如水分、油脂和其他烴類化合物，這類化合物難以完全去除，而這些污染物很容易被吸收到熔池中，并在凝固時產(chǎn)生氣孔［92］。由于氫在固體和液體中的溶解度）明顯不同［93］（熔點溫度 660 ℃時，分別為 0.036 cm3/kg 和0.69 cm3/kg），即使是少量的液態(tài)溶解氫在凝固后也可能超過溶解度的極限，從而導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生［94］。因此，原材料的清潔度對增材制造成形工藝至關(guān)重要，特別是對于鋁合金。

工藝誘發(fā)的氣孔通常是非球形的，主要是不合理的路徑規(guī)劃和不穩(wěn)定的沉積工藝引起的。鋁合金中氣孔的形成與焊道熔深、熱輸入、枝晶生長以及晶粒的形狀和尺寸密切相關(guān)。叢保強等人［95］比較了不同的CMT工作模式，如常規(guī)CMT、脈沖CMT、交變CMT和脈沖交變CMT對氣孔形成的影響。研究發(fā)現(xiàn)，較高的熱輸入、較大的熔深和隨后形成的粗柱狀晶粒阻止了常規(guī)CMT中氫的逸出，出現(xiàn)了大量氣孔，孔徑在10～100 μm之間。小孔匯聚是形成尺寸大于100 μm大孔的主要原因。與常規(guī)CMT相比，脈沖CMT相對較淺的熔深減小了氫的逸出距離，同時較小的晶粒尺寸也是該模式氣孔較少且不存在100 μm以上氣孔的原因。在交變CMT模式中，細(xì)小等軸晶粒、較低熱輸入、較淺熔深和極性交替產(chǎn)生氧化物的清潔效果可有效地幫助氫逸出，因而沒有孔徑大于50 μm的氣孔。采用交變脈沖CMT模式，樣件不存在孔徑大于10 μm的氣孔。

可熱處理和不可熱處理鋁合金的氣孔形成與合金元素組分密切相關(guān)?？蔁崽幚砗辖鹬袣饪椎男纬墒怯捎诠簿啵ㄈ鏏l2Cu）的成核（冷卻期間）和溶解（加熱期間）。東北大學(xué)的顧江龍等人［96-97］對CMT增材制造2219鋁合金進行了研究，并對比了沉積態(tài)、沉積—時效態(tài)和沉積—碾壓—時效態(tài)的組織與力學(xué)性能。CMT增材制造的2219鋁合金中存在一種小孔（尺寸為5～20 μm），該小孔受到枝晶間隙的影響，枝晶間隙將迫使孔隙分離，阻止大孔的形成。熱處理后，由于共晶相的完全溶解而產(chǎn)生空位，導(dǎo)致小孔數(shù)目大幅增加。在不可熱處理合金中，揮發(fā)性物質(zhì)（Mg）的存在以及合金元素組分對金屬凝固的影響是形成氣孔的主要原因。

2.3 強韌化技術(shù)

電弧增材制造構(gòu)件需要通過適當(dāng)?shù)暮筇幚砉に噥砀纳撇牧闲阅?，降低其表面粗糙度和氣孔率，并消除殘余?yīng)力和變形。針對鋁合金，沉積成形的鋁合金零件機械性能較鍛造狀態(tài)存在較大差距。為了獲得更高的抗拉強度，大多數(shù)沉積態(tài)鋁合金構(gòu)件需要通過后處理來重構(gòu)微觀組織。

熱處理是電弧增材制造工藝中廣泛使用的一種降低殘余應(yīng)力、提高材料強度和硬度的方法。熱處理工藝合適與否取決于目標(biāo)材料、增材制造方法、工作溫度和熱處理條件。如果熱處理不當(dāng)，在機械載荷作用下，由于現(xiàn)有殘余應(yīng)力與載荷應(yīng)力的組合超過材料的設(shè)計極限，很可能造成裂紋的增加。Gu等發(fā)現(xiàn)針對Al-Cu6.3%合金，通過T6熱處理后的性能可提升超過75%。

層間冷軋已被證明能有效地誘導(dǎo)晶粒細(xì)化，降低電弧增材制造過程中鋁合金［98］、鋼［99］和鈦合金的各向異性和殘余應(yīng)力［100］，以及提高幾何可重復(fù)性。WAAM工藝中，沉積層熱量梯度和交替加熱、冷卻過程導(dǎo)致目標(biāo)構(gòu)件具有各向異性的顯微組織演變和力學(xué)性能。冷軋工藝通過塑性變形可顯著降低沉積層組織的各向異性。圖8展示了克蘭菲爾德大學(xué)開發(fā)的層間冷軋系統(tǒng)示意圖。帶槽滾筒通過提供外力來重構(gòu)零件的微觀結(jié)構(gòu)，增強其縱向抗拉強度［101］。

圖8 WAAM工藝層間軋制強化裝置示意［102］Fig.8 Schematic diagram of the combined WAAM rolling process［102］

層間冷軋對于電弧增材制造鋁合金構(gòu)件中氫氣孔的愈合也起著關(guān)鍵作用。軋制壓力對氣孔結(jié)構(gòu)影響很大，冷軋工藝會產(chǎn)生高密度位錯和空位，這些位錯和空位可以充當(dāng)原子氫吸收的優(yōu)先位點和溢出通道。Gu等人［102-103］研究了層間冷軋和沉積后熱處理對可熱處理和不可熱處理鋁合金氣孔演變的影響。在可熱處理合金中，當(dāng)采用如圖9所示的滾壓裝置，施加15 kN和30 kN載荷時，氣孔數(shù)量和氣孔面積分別減少68.7%和99.1%，以及83.5%和97.2%；在相同的軋制條件下，對于不可熱處理合金，氣孔數(shù)量分別減少25.9%和97.5%，氣孔面積分別減少73.7%和97%。與層間冷軋相比，沉積后熱處理可明顯提高強度。層間冷軋不僅有利于降低氣孔率，而且對晶粒結(jié)構(gòu)也有很大的影響。晶粒尺寸和晶粒取向角隨加載條件的變化而變化，隨著載荷的增加，晶粒尺寸變小，取向角變小。

圖9 WAAM工藝中使用的滾壓裝置實物［103］Fig.9 Physical view of the rolling device used in the WAAM process［103］

但由于軋制工藝的幾何尺寸限制，這種技術(shù)僅適用于簡單的沉積構(gòu)件，如單道墻。對于具有曲線和拐角的復(fù)雜零件，需要開發(fā)專用的模具來實現(xiàn)有效的軋制過程，這限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。冷軋技術(shù)可以減少殘余應(yīng)力，但是減少零件整體變形的能力還有待考證。

西安交通大學(xué)則通過層間錘擊［104］、激光沖擊［105-106］等強化手段提升WAAM成形樣件的成形質(zhì)量?；贑MT的WAAM技術(shù)已被廣泛認(rèn)為是制造大尺寸鋁合金部件的合適方法，然而沉積鋁合金的不良機械性能阻礙了其在航空航天工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。與沉積樣品相比，層間錘擊樣品的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高度精細(xì)的晶粒，50.8%變形樣品的屈服強度和極限拉伸強度分別從148.4 MPa、288.6 MPa提高到240.9 MPa、334.6 MPa。再結(jié)晶的晶粒可以在隨后的錘擊中進一步變形，這導(dǎo)致了位錯密度的增加，并有助于提高層間錘擊加制的2319鋁合金的極限抗拉強度。

圖10 層間錘擊設(shè)備樣機［104］Fig.10 Schematic diagram and the laboratory hammering equipment［104］

激光沖擊強化（laser shock peening，LSP）是通過改變金屬材料的次表面微觀結(jié)構(gòu)來提高其機械性能。然而，對于LSP工藝是否能獲得晶粒細(xì)化仍存在爭議。西安交通大學(xué)［105］研究了LSP對金屬材料的影響，選擇7050鋁合金和316L不銹鋼，它們分別是典型的高和低堆積斷層能（SFE）材料。通過電子背散射衍射（EBSD）說明了不同的LSP周期和能量密度對這兩種材料微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示，無論激光周期和能量密度如何變化，都沒有觀察到晶粒細(xì)化。最明顯的變化是位錯密度增加，隨著LSP循環(huán)和能量密度的增加，觀察到更高的位錯密度。對LSP處理過的區(qū)域周圍的硬度和殘余應(yīng)力進行測量表明，LSP能夠有效地引入600～1 300 μm的塑性變形層。拉伸試驗表明，兩種材料的屈服強度在LSP處理后都得到了改善。此外，在LSP工藝的基礎(chǔ)上，提出了一種新的方法來計算金屬材料的動態(tài)屈服應(yīng)力。

由于WAAM成形樣件有相當(dāng)大的內(nèi)部孔隙率，零件通常表現(xiàn)出較差的拉伸和疲勞性能。西安交通大學(xué)［106］將激光沖擊強化（LSP）作為一種后處理方法應(yīng)用于WAAM成形的2319鋁合金。通過在材料表面進行LSP處理，產(chǎn)生了厚度1.3 mm的影響層，峰值硬度和屈服強度分別提高30.2%和151.2%。在集中的孔隙缺陷周圍的集中殘余應(yīng)力的作用下，孔隙的數(shù)量密度減少了65.3%，而塌陷的減少了65.3%，同時觀察到大尺寸孔隙的塌陷，孔隙密度降低了65.3%，疲勞壽命延長了一倍。

圖11 激光沖擊強化過程示意［106］Fig.11 Schematic diagram of the whole process［106］

國家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學(xué)盧秉恒院士團隊利用電弧熔絲技術(shù)實現(xiàn)了1米級鋁合金火箭貯箱的一體化成形，在此基礎(chǔ)上通過增減材一體化制造技術(shù)，制造完成了世界上首件10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環(huán)樣件［107］，在整體制造的工藝穩(wěn)定性、精度控制及變形與應(yīng)力調(diào)控等方面均實現(xiàn)重大技術(shù)突破。

圖12 高強鋁合金電弧增材制造一體化成形案例Fig.12 Case of integrated forming of high-strength aluminum alloy by WAAM

3 鋁合金WAAM技術(shù)的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

WAAM 技術(shù)本質(zhì)上是一個熔化焊絲連續(xù)堆焊的過程，鋁合金是一種高熱導(dǎo)率和高熱膨脹系數(shù)的合金，由非平衡凝固行為和殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形和不均勻收縮、氣孔熱裂紋、力學(xué)性能低等問題嚴(yán)重限制了鋁合金WAAM技術(shù)的工程應(yīng)用。針對鋁合金在快速凝固、循環(huán)加熱和冷卻條件下的組織演化等過程，深入分析絲材熔化過程液滴的過渡和穩(wěn)定性，研究工藝參數(shù)對微觀組織生長和缺陷生成機制，控制成形過程熱應(yīng)力和變形，采用合理的強化機制調(diào)控力學(xué)性能是WAAM成形過程的關(guān)鍵。

（1）原材料質(zhì)量問題。

鋁合金絲材的化學(xué)成分和表面質(zhì)量共同決定了材料的熱物性和力學(xué)性能，只有使用高質(zhì)量絲材和特定的WAAM工藝，才能有效控制氣孔的形成，同時保證力學(xué)性能。傳統(tǒng)的GMAW工藝熱輸入過大，導(dǎo)致成形飛濺大，堆積層缺陷多，微觀組織不均勻。金屬絲作為原材料，如果其內(nèi)外質(zhì)量存在問題，成形部件會產(chǎn)生大量的缺陷，因此需要制定相應(yīng)的工藝規(guī)范和控制策略嚴(yán)格控制此過程。并且WAAM在循環(huán)加熱和冷卻過程中會產(chǎn)生較大的內(nèi)部拉應(yīng)力，絲材質(zhì)量的穩(wěn)定性、沉積參數(shù)等直接影響沉積速率、熔池中的熱傳輸以及沉積質(zhì)量，絲材的直徑變化、裂紋以及刮痕直接會造成沉積材料的氣孔缺陷，WAAM過程對絲材的質(zhì)量及穩(wěn)定性的要求更高于普通焊絲材料。

（2）幾何精度問題。

WAAM工藝過程參數(shù)對于理解和控制逐層沉積方式中的金屬熔化和凝固過程十分重要。逐層堆焊過程在焊道開始、結(jié)束以及重疊區(qū)域極易出現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷。如何通過調(diào)控工藝參數(shù)，控制焊道起始處的熱量，降低液態(tài)金屬不受控制的流動以及焊道駝峰的形成，實現(xiàn)堆積層的幾何尺寸控制，目前尚無有效解決的方法。由于金屬熔化后流動性差，逐層堆焊過程在焊道首末尾處容易出現(xiàn)塌陷，如何準(zhǔn)確定義鋁合金相鄰焊道之間的搭接距離，需在充分的理論分析和實驗驗證的基礎(chǔ)上，考慮金屬流動性、潤濕性、粘度和表面張力等材料特性的影響，結(jié)合成形結(jié)構(gòu)件的完整性建立最佳搭接模型。為了避免因工藝參數(shù)不穩(wěn)產(chǎn)生的駝峰影響生產(chǎn)效率，需要確定焊槍的移動范圍，通過控制保護氣體流量或適合WAAM工藝的特定焊槍角度，從而減少或消除液態(tài)金屬的流動特性，或采用精確控制層間溫度等方式，研究表面張力、揮發(fā)性元素的影響、功率密度與分布、搭接成形等因素與駝峰之間的相關(guān)性，對提高WAAM工藝的幾何尺寸精度有十分重要的意義。

（3）氣孔、熱裂紋和殘余應(yīng)力問題。

針對高強鋁合金采用WAAM工藝，金屬熔滴過渡過程中電弧弧柱溫度高、熔滴比表面積大，更容易吸氫，產(chǎn)生大量氣孔。成形過程中隨著共晶濃度增加，裂紋敏感度增加，鋁合金極易產(chǎn)生凝固裂紋，熱影響區(qū)溫度提升，使得熱影響區(qū)經(jīng)歷回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大的過程。當(dāng)熔池局部區(qū)域的溫度超過合金固溶體溫度時，可能發(fā)生局部凝固裂紋。由于復(fù)雜的熱作用及熱循環(huán)的影響，導(dǎo)致成形過程中形成不同的相和組織，進而形成非均勻的材料特性。如何有效減少或消除鋁合金成形過程中的內(nèi)部氣孔和熱裂紋問題，揭示工藝參數(shù)對該缺陷的影響機制，闡明內(nèi)部缺陷的形成機理，特別是針對氣孔敏感度高的CMT工藝，需要進一步深入研究金屬液滴過渡過程中的熔池冶金動力學(xué)行為、液滴過渡機制及其傳熱傳質(zhì)特性。針對鋁合金為實現(xiàn)中大型結(jié)構(gòu)件的成形，分析、統(tǒng)計和計算研究構(gòu)件和基板上的殘余應(yīng)力分布十分關(guān)鍵。在逐層堆積過程中金屬將在各層累積大量的熱量，在構(gòu)件和基板上產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。為了使成形部件中的殘余應(yīng)力最小化，目前諸多學(xué)者通過計算機輔助模擬來了解殘余應(yīng)力分布并相應(yīng)地生成最佳路徑和成形策略，但針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制策略研究甚少。為了控制成形過程中的殘余應(yīng)力和變形，需深入分析WAAM工藝材料特性、焊接電流、焊接電壓、送絲速度、環(huán)境溫度、保護氣流量等工藝參數(shù)對變形和殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。

（4）組織和力學(xué)性能問題。

鋁合金WAAM成形時由于冷速快、熱應(yīng)力大等原因，往往容易出現(xiàn)沉積缺陷，在成形交叉結(jié)構(gòu)或多層多道復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，與鑄件不同，WAAM成形的構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力大，如果熱處理方式不當(dāng)，殘余應(yīng)力未完全消除，會導(dǎo)致固溶、淬火過程中構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生熱裂紋。因此，特別是針對大型結(jié)構(gòu)件需要研究制定適用于 WAAM 成形構(gòu)件的熱處理方式。目前，WAAM工藝成形的高強鋁合金在高溫電弧的作用下，金屬凝固后存在偏析、組織不均勻和枝晶較多等問題，無法直接應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。如何通過機械強化和建立合理的熱處理強化制度，確定快速凝固條件下鋁合金組織演化與力學(xué)性能的關(guān)系，提升WAAM工藝成形鋁合金的性能穩(wěn)定性是亟待解決的問題。