Alliance dynamics
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江苏激光联盟导读：
本文研究了WAAM在工业市场上的重要作用和意义。
本文关键词：增材制造、微结构性能、机械性能、合金、材料沉积、后处理
摘要
无论何时，需要用钛、镍、铝、钢和其他高温合金等原始金属材料的不同合金制造具有较高沉积速率(通常超过10公斤/小时)的产品，电弧增材制造技术通常被认为是最先进的AM(增材制造)技术。这种做法通常包括使用电线作为原料材料和用于电弧焊的标准工具。材料沉积率高、损耗低、设备成本高、结构完好，这些优点使它成为一种不可抗拒的工艺，可以取代传统的钢坯和锻造方法，范围从低到中复杂的制造产品。
该技术在汽车行业的生产流水线、航空航天行业的翼肋、液压行业的风洞等领域都有广泛的应用。本文讨论了在制造产品中处理残余应力通常面临的复杂性，并着重于改进与传统方法相比的机械性能，同时广泛地讨论了消除孔隙和变形等缺陷。最后，对产品的无损检测、现场加工和监测等后加工操作的前景进行了评价。
1. 介绍
增材制造通常与“3d -打印”一词联系在一起，是一项在全球范围内广泛应用的新兴技术，其基准特征是在供应链中最大限度地减少材料和物流损耗。由于设计自由的灵活性，拓扑优化等技术的概念性应用在节约材料方面有很大的影响，因此可以减轻组件的重量，并可使需要子组件的复杂组件的可制造性达到。见图1-3和表1。
图1 使用(a)金属惰性气焊、(b)钨极惰性气焊、(c)等离子弧焊的焊丝电弧增材制造原理
图2 一个机器人WAAM系统装配
图3 根据WAAM的应用特点，对WAAM在不同领域的应用进行了系统布局
表1 在不同材料的WAAM工艺中，阻塞及其后续特征的详细描述。
通常，WAAM的基本部件由原料供应系统、热源和运动系统组成。由于所发生的变化及其应用程序的性质，系统可以根据依赖的应用程序的需要进行更改。这可以通过选择性激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)工艺得到广泛的认识，其中，EBM具有较高的材料沉积速率，零件尺寸通常较大，具有较高的工作空间面积，而SLM可用于更高的填充密度和更高分辨率的净形状产品。
然而，这些工艺似乎更适合制造具有更高复杂性的小部件。因此，采用这种技术的企业在产品设计、定制和减少对物流的依赖(有时与制造的本质有关)方面得到了广泛的管理。然而，材料损耗最小化不能在任何情况下详细阐述，尽管确认了低质量和减少损耗。尽管使用该技术制造的许多部件需要进行拓扑优化，但由于以下原因，该应用的要求仍然强调减少材料浪费:(a)主要是飞机设计师从铝到钛的转换，由于钛中碳纤维的高百分比使其适合电化学，(b)航空航天工业对用钛制造的零件的需求预计将日益增长，最后(c)钛对来源和交付的机器来说都是一种非常昂贵的材料。
结合上述因素，航空航天工业高度关注开发可以取代现有制造大型部件的方法，如十字板、加劲板、翼肋，以及其他由钢坯或大型锻件加工的不可持续购买/飞行(BTF)比的部件。开始工件的质量除以最终产品的质量;在航空航天行业，10甚至20的数值是相当少见的。到目前为止，大部分现有材料的合金都是用下列方法之一制成的。
• 熔合制造:将不同等级的元素按一定比例混合，然后在一个熔炉中进行熔合。根据相变化图，再加入熔点较低的元素，使熔体保持一定的共晶温度。含碳量避免熔体氧化，之后允许熔体冷却(有时可根据合金设计的需要进行淬火)。
• 电沉积法:这一过程包括电流对浸没在含有待沉积金属盐的溶液中的导电物质的作用产生电沉积，这是一种著名的现场生产金属镀层的过程。通常铜、锌、镁、铝和镍的超级合金使用这种技术。
• 还原法:在电气装置设置中，通过化学过程将不同化合物中存在的金属从不希望的存在状态分离到希望的状态(通常纯金属为最终产物)。此外，最终产物还包括氧化物、碳化物和盐类，它们是反应的残留物，会阻碍金属的最终性能，导致污染。
•粉末冶金:用单个金属粉末或合金金属粉末制造产品是生产细金属粉末，然后用单个金属粉末或合金金属粉末制造产品的技术。
2 电弧增材制造(WAAM)
通常被称为电弧作为热源与原料以金属丝的形式供给的组合，WAAM自90年代初开始在全球推广使用，尽管它早在20世纪初就获得了专利。这种制造技术的硬件系统通常涉及焊接策略和设备，如焊接电源、焊枪和送丝系统、用于精确沉积的基板夹紧装置，通常由冷金属转移法或等离子转移法携带。操作通常由CNC/机器人控制。厚度的墙壁沉积是典型的约1-2毫米，然后用机器建立平的表面。
完全熔化能够在单一工艺中生产固态、致密的金属零件（即不使用粘合剂或之前用于通过LS制造金属零件的后处理炉操作）。可以使用多种金属，包括不锈钢、钴铬和钛。这些过程相对较新，虽然它们不适合制作人体解剖模型，但它们生产定制植入物和假体的潜力已经很明显。上图显示了使用SLM制作的下颌骨™。
由SLM™制成的义齿框架。
通常，制造材料包括钛、钢、青铜、钽、镍、铜和铝合金。在大多数情况下，MIG(有时在CMT应用中使用可控倾角转移沉积机制进行修改)是首选，因为(a)导线是一个扩展电极，(b)电极与焊枪同轴的特性简化了刀具路径的移动。使用CMT的优点包括形成高质量的珠子和更少的热量输入和最小的飞溅。然而，这种对适当材料沉积的预期有时会完全错误，尤其是钛导致电弧漂移，与钢和铝相比，这是导致表面粗糙度的主要原因。因此，通常TIG和等离子弧焊是首选的钛材料。尽管如此，TIG和等离子弧焊在很大程度上取决于外部控制的送丝速度、其沉积精度、需要旋转焊炬的送丝方向，从而使机器人运动复杂化。
3 在WAAM中进行的材料及其各自的实践
在本节中，我们将讨论在WAAM工艺参数变化时材料的行为。这可以归因于为提高和优化制造工艺而对热源、丝料、轧制、加工条件、加热技术所做的改变。因此，本节提供了一个清晰的观点，当前的研究和发展发生在世界各地，先进的工具应用和材料标准使用。
SLM制备的TNM样品(A)初建时的SEM照片，(B) 950°C热处理后的照片。SLM，选择性激光熔化;TNM、多弧离子镀合金;SEM，扫描电子显微镜。
3．1. Ti-6Al-4V合金
由于其在航空航天领域的广泛应用，近年来在提高合金性能方面做了更多的工作。当激光为光源时，合金的典型行为表明，晶粒尺寸和宽度与激光功率和送丝速度有直接关系，与焊接速度有间接关系。但沿热梯度方向等轴生长的晶粒宽度更大。此外，与锻造材料相比，水平结构材料的疲劳强度、蠕变强度和拉伸强度较高，塑性较低。柱状晶粒的各向异性沿build方向分布。晶粒的粗化导致了细小的等轴结构，导致了雨状生长，并增加了形核。
水辅注射等离子体作为热源的实验表明，随着壁宽的增加，抗拉强度提高了十分之一。在WAAM中采用连续等离子体热源时，由马氏体组成的等轴矩形网格具有篮织结构，并在水平带中形成α菌落，显示低硬度。此外，还需要进一步加强高温冷却对温度变化的影响。随着焊道间温度的升高，由于顶部区域的枝晶组织较中部区域少且细小，呈现各向异性，硬度增加。当添加氮气作为保护气体时，会在钛基体上形成硬化的TiN层，从而引起电弧形状的改变。这也增加了材料的摩擦系数和耐磨性。由此形成的TiN层为水分形成的粗枝晶。
随着保护气体流量的增加，硬度增加。随着停留时间的延长，硬度和屈服强度增加，带区宽度减小。二维移动模式的等轴β晶粒和标题层带的形成。在控制进给速度的条件下，钛合金有进行双丝电弧调幅的倾向，以获得不同的相和组织(Ti-45Al和Ti-55Al)。硬度、屈服强度和极限抗拉强度也随Al成分的增加而降低，而伸长率不变。
2011年首次尝试用SLM法制备Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，未能获得无裂纹的试样。2014年，Löber等使用粉末尺寸范围为45 ~ 63 μm、层厚为75 μm的TNM合金进行参数研究。建造室充满高纯度氩气，残余氧水平≤200ppm是保证。通过调整激光功率和扫描速度来稳定加工过程，获得最佳的单珠形貌。通过改变扫描速度(50-100,350-2100 mm/s)和激光功率(50-250 W)，建立了TNM合金的加工图。在低功率和低扫描速度下观察到凝固过程中由于高冷却速率而产生的明显裂纹。
结果表明，优化的激光功率和扫描速度参数组为:体积轮廓为100 W, 50 mm/s;外层轮廓为175 W, 1000 mm/s;孵化厚度为0.3 mm，层厚为75 μm。扫描策略是条纹孵化。这些优化的参数用于生产小圆柱体和十二面体细胞。
3.2.铝合金
对于铝合金，拉伸性能取决于各向同性构建方向特征和各向异性织构方向。对于5A06合金，在垂直于织构取向的轴向加载实验中，证明了晶粒倾向于抵抗变形。然而，如果载荷与织构取向平行，则晶粒倾向于沿边界滑动，从而预测抗拉强度降低。以AA5183合金为送丝材料，AA6082-T6基板，WAAM操作表明，拉伸和硬度与平面方向和沉积方向一致。
此外，在具有较高温度区的零件中发现了热裂纹，显示出等轴晶粒的均匀分布。混合两种合金的稀释会产生热裂纹，可通过在金属丝中添加孕育剂来减少热裂纹。晶粒细化对拉伸和延性性能有很大影响，从而影响抗开裂现象。另一种新合金Al-6.3Cu与Mg混合作为孕育剂，以提高力学性能。结果表明，拉伸强度和延伸率沿两个方向本质上是各向同性的。微观结构分析表明，非柱状和等轴单一晶粒分布在内层，而惰性层晶粒广泛被等轴晶粒占据。
本研究还分析了混合WAAM作为控制孔隙度和优化控制参数的方法。人们注意到，随着轧制负荷的增加，拉伸强度随着延伸率的改变而增加。当通过热处理和随后的淬火时，样品中的空隙会增加样品中的微孔。随着Al-7Si-0.6mg的加入和CMT过程中热输入的增加，枝晶第二臂间距增加。因此，随着热输入和焊接速度的降低，层厚及其相应的高度增加，导致α初生Al和共晶Al-Si晶粒尺寸增大。此外还发现，随着热输入的增加，其对屈服强度和极限抗拉强度以及伸长率有直接影响。
采用AA2024，对厚度为12mm的合金进行双丝WAAM，并对样品进行初始热处理，然后进行自然时效和人工时效，发现其枝晶形态从α-Al+Al2Cu+Al2CuMg转变为α-Al+Al2Cu。填料包括Al-6.3Cu和Al-5 Mg的送丝。最初，观察到硬度和强度随热处理而增加，而延伸率仅在水平方向上增加，表明拉伸性能沿该特定方向增加。更常见的是，还观察到晶间和跨颗粒断裂。采用EN AW 6016合金进行试验，以在不缺乏熔合的情况下产生小于1%的孔隙率。但由于热处理影响，无法比较硬度。然而，结果鼓励与初始层沉积的更硬材料进行比较，精确的沉积后控制热输入，焊接速度控制为改变热输入。
通过对Al-Cu-Sn合金的研究，观察到随着热输入的增加，由于熔池变宽和晶粒尺寸增大，材料中形成了孔隙。这也可以归因于氢在铝溶液中溶解度的增加。此外，随着温度的降低和未溶解固溶后处理θ相残余量的增加，机械性能发生了改变。此外，在AZ31合金进行CMT制造的情况下，发现WAAM拉伸性能沿材料沉积方向增强。这在很大程度上取决于共晶枝晶的枝晶方向和体积组成，共晶枝晶由于外延柱状枝晶而导致沿沉积方向的各向异性。微观结构描述了顶层垂直枝晶和排列柱状晶粒结构向等轴粒状结构的变化。壁由柱状枝晶阵列组成，由镁基体、枝晶共晶和Al-Mg相组成。
3.3.铬
通过对2Cr13进行基于CMT的WAAM，可以观察到液态金属转移。微观结构还描绘了相邻层中无任何缺陷的非奥氏体区域，顶层由铁素体晶粒组成。此外，由于经历加热冷却循环，存在分解的马氏体区域和铁素体块状结构。由于观察到中间区域微观结构的变化，铁素体含量在靠近基体的位置较少。由于位错和细马氏体板条的存在，最终拉伸强度相对较高，韧性降低，从而导致晶界处出现起球位错。
3.4.镍
如图这些截面的位置接近每一个对应的拉伸试样的同一侧(图3 (b)中红点标记)。由于两个焊道的影响以及OR内的线性焊接，材料的混合非常复杂，很难进行分析。因此，对FR、MR和LR的观测结果进行了重点讨论。首先，FR中的Al/Cu界面以~ 45°向表面倾斜;而在MR和LR中，Al/Cu界面都是直的，且靠近原始切割表面(用虚线标记)。其次，FR的熔核区面积大于MR和OR，且MR和OR的熔核区材料混合非常相似。第三，在FR熔核区可以观察到一些较大的铜片和缺陷(如图4(a)所示)，最后在FR、MR和OR的前进侧有明显的混杂材料沉积。但在MR中，后退侧表面仅形成一层薄层，几乎没有形成材料沉积。
通过观察IN718合金在WAAM工艺过程中的时效反应，发现焊缝强度低于材料。孔型间轧制通过提高强度和降低材料各向异性来提高力学性能。在宏观组织中，观察到轧制后的柱状晶粒与壁面对齐，具有双颗粒结构，芯部延伸至壁厚的一半。固溶和时效处理后的微观结构分析显示，与未轧制样品相比，随机方向上的枝晶较少，说明拉伸性能和延伸率及延性性能增强。
此外，通过对热处理进行改进，研究了IN718的相形成，如laves相和惰性枝晶区以及微观偏析问题。该方法有助于通过基质内扩散溶解laves相，这可能导致富集Nb区域，其中可能沉淀δ相。此外，这有助于通过热处理、固溶处理、空气冷却和最后的均匀化处理过程，减少各向异性，并提高高温下的拉伸性能。随着γ粒子的析出，硬度可以进一步提高。然而，形成的粗晶粒可能会阻碍硬度的形成，从而影响热处理过程中经过修改的拉伸性能。
进一步研究了喷枪速度对采用CMT基WAAM工艺的IN625合金的影响。这项工作说明了不同层中的改性微结构，在每层沉积后沉积方向反转，从而产生更好的微珠和层界面。低散热会在中间区域产生二次枝晶，而在顶层观察到粗枝晶结构，蓄热在池中。因此，随着焊炬速度的增加，硬度增加，可获得精细的微观结构。此外，发现随着焊炬速度的增加，极限拉伸强度和屈服强度以及延伸率都会增加。
木材的宏观结构由几个不同的区域组成，这些区域分布在树干上，如图所示。树的外层，或树皮，为树的内部提供一些保护，免受鸟类、昆虫、真菌和其他生物的侵害。在树皮的下面有一个叫做形成层的区域，它包含了树皮和树的内部区域的新生长的细胞。在每年较温暖的月份，形成层的内表面生长出新的木细胞，外表面生长出新的树皮细胞。
3．5. 钨
加工用钨制造的WAAM组件时，常见的问题是再结晶温度高，断裂韧性低。因此，研究了WAAM工艺参数对钨非合金态线性结构的影响。通过衬底定位和固位设计，可以避免沉积过程中的横向裂纹。将侧送丝系统与前送丝系统进行比较，发现飞溅、空洞、裂纹和熔合缺失的产生比例较大。开尔文亥姆霍兹不稳定性也被观察到，由于(W)液体的密度差异，以及等离子体(He)导致产生了带有破碎熔化表面微粒的细液滴。相比之下，钨的快速凝固和较高的热梯度导致了等轴晶的形成。在较高的温度中，由于热导降低，在上部观察到较大的结构。
电化学研究表明，制备的载体材料比商用Pt/C电极具有更高的质量比表面积。此外，在ORR的起始电位中也观察到+100 mv的电位偏移，并且显示出比商用Pt/C高75%的质量活性和更高的ORR电流。为了研究氧化钨载体在电极中的作用，采用热蒸发法制备了不同厚度的WOx (0-40 nm)，在添加和不添加Pt (3 nm)电催化剂的情况下（如图）。
3.6 钽
在一个用钽制作的作品中，用两种不同的馈线来制作非合金钽零件，以保证高壁刚度和在基片壁界面附近局部塑性变形不变形。采用氩弧焊(TIG)进行单焊道沉积，单边送丝向熔池进行沉积。在凝固过程中，沿沉积方向观察到外延柱状晶粒的生长。在每一层中形成宏观带，导致此后每一层的α晶粒发生变化。但由于钽氧化物的分散，再加热过程中未观察到亚晶粒结构。由于热循环，硬度的变化也被观察到沿建造，在建造的下部引入硬化效应。由于基体和样品的颗粒尺寸和形状不同，样品中O2含量较高，屈服强度较高，伸长率较低，导致沉积结构分离。这项技术有助于降低成本和时间。
冲击聚苯乙烯塑性变形中裂纹的形成(a)和(b)、(c)、(d)和(e)裂纹微观结构演化随裂纹张开程度的变化。
3.7 铜
采用不同的CuSi3、AlSi5-ER4043导线进行基于CMT的WAAM工艺。送丝机用于向熔体池内送丝。组分沉积的百分比是通过改变两根线的进料速率来控制的。在金属间建立均匀混合和减少金属间相形成方面，Si的加入是至关重要的。由于Cu、Al在自然界中的溶解度为固相，Si具有熔融金属的流动性。Cu-Al合金中铝的加入提高了屈服强度和极限抗拉强度，Si的加入提高了硬度、抗拉强度和偏移屈服强度。层与基材之间的粘结是由加热和冷却循环以及发展的应力控制的。在层高消失的情况下，热梯度在建立沿建筑方向的墙体宽度控制方面是有用的。Al作为孕育剂的固溶强化作用提高了硬度，Si的加入促进了金属间相的形成。层间结构表现为粗柱状、细片层状晶体以及孪晶混合和扭曲结构。沿沉积层的散热率通常沿建筑方向和结构可见。
3.8 钢合金
WAAM经过多年的发展已经确立为一种驱动技术。为了使有色金属材料的技术进步理想化，已经进行了许多研究工作。其中一项工作是研究用WAAM实现的SS304和ER70S的机械性能。在SS304中，机械拉伸和屈服性质沿材料沉积方向均为各向同性，而ER70S在垂直和水平方向均为各向异性。在磨损下发生霍尔-佩思强化，在SS中也观察到了细化晶粒的过程。
屈服强度沿焊缝和z方向均有增加。显微组织分析表明，由于局部热梯度的影响，SS304的奥氏体相主导向混合铁素体相主导转变。ER70S在晶界处呈现典型的铁素体组织，珠光体区域占主导地位，但变化不大。在另一项工作中，发现等离子热源诱导双丝进给的WAAM焊缝的珠状外观、沉积速率、机械性能和显微组织都得到了提高。宏观分析表明，由于材料沉积速度的增加，壁面高度降低，形成波浪形表面。奥氏体基体下也形成铁素体相。
随着材料沉积速度的提高，等轴铁素体颗粒结构和力学性能得到了改善。该装置广泛应用于铬镍钢高温合金。此外，还研究了脉冲速度和电弧速度对SS316L WAAM制造的影响。最初，形态学没有显示缺陷(裂纹或孔隙特征)。然而，显微组织分析显示奥氏体分布在整个构建。底层维氏硬度难以识别。然而，采用基于速度电弧的WAAM方法，由于沉积层的热增加，传播缓慢，二次枝晶臂的间距显著减小，这一结果可以得到提高。这种方法的极限抗拉强度和延伸率似乎比传统方法要高。
在另一项研究中，研究了使用WAAM对ER70S-6的轧制和沉积材料表面波纹降低的影响。据报道，随着表面波纹度的降低，疲劳寿命增加，残余应力在层中积累，这是由于轧制影响造成的压应力的建立，而压应力随着载荷的增加而增加。拉伸载荷和硬度也随轧制载荷的增加而增加。然而，这也意味着max。在滚动载荷下，我们有最大的抗拉强度和最小的伸长率差异。由于塑性变形造成的伸长率降低支持加工硬化效应的思想。在沉积材料表面轧制引起的位错运动是产生加工硬化效应的主要原因，它进一步降低了晶粒尺寸。这也促进了奥氏体形核，从而导致晶粒尺寸减小。
(a)和(b)是在加热速率为100 K s−1的特定加热场景下，通过实验和相场模型模拟得到的微观组织。大部分奥氏体晶粒形成于珠光体带，少量奥氏体已经在晶界和铁素体晶粒内部形成核。值得注意的是，Zhu和Militzer模型考虑了溶质阻力效应来评估替代合金元素对奥氏体形成的影响。
4. 结论
本文引用了最近的主要进展，为那些对探索电弧增材制造相关挑战感兴趣的科学界奠定了坚实的基础。为了提高生产大尺寸部件的合格率，需要在使用钛、钢、钨、镍、铬等不同材料的情况下，通过WAAM描述与铸造件相似的性能，并在技术上进行更多的试验和改进。然而，考虑到大型金属结构的维护和服务费用，WAAM似乎非常有利。
目前，关于WAAM制造的标准缺乏是显而易见的，但尽管如此，与传统制造相比，数字制造的优势是显而易见的。高质量的生产与更大的数量是可以实现的WAAM给予高热量输入相关的问题排序。残余应力和变形仍然是阻碍WAAM在世界范围内可接受的较高限制因素。此外，还探索了数据学习适用性的计算方法，以即兴进一步改进WAAM。结合现场监测、无损评估等质量过程的可能性，有利于生产大型原型部件。WAAM具有最小化材料浪费和降低成本、更高的设计自由度、相对于复杂性的定制等优点，其未来在工业市场上具有非常重要的意义。
精确的设计和路径策略已被证明是有效的产品定制，而不同的送丝策略和不同的沉积材料的策略有助于应用研究与多材料建模及其优化。将加工平台与WAAM一起实现，使产品的加工更加容易。WAAM目前的状态是在产品的材料、形状和应用方面不断发展。值得注意的是，由于缺乏合适的CAD/CAM软件和算法来实现已完成的开发，目前还没有开发出完全网状或自动化的过程。需要熟练的工程师来完成从设计产品到实际生产操作的周期，从而拥有真正的产品。
但与传统的焊接、熔覆等工艺相比，WAAM工艺具有工艺和设计的灵活性、材料和技术的经济性、材料利用率等优点。最后，生产大规模金属3D打印组件的能力，与传统制造方法相比，使用更轻的材料，这增加了WAAM工艺的行业业务。
来源：Wire arc additive manufacturing: A brief review on advancements inaddressing industrial challenges incurred with processing metallic alloys，MaterialsToday: Proceedings，doi.org/10.1016/j.matpr.2021.09.329
参考文献：S.C. Altıparmak, V.A. Yardley, Z. Shi, J. Lin，Challenges inadditive manufacturing of high-strength aluminium alloys and currentdevelopments in hybrid additive manufacturing，Int. J. LihweightMater. Manuf., 4 (2) (2021), pp. 246-261, 10.1016/j.ijlmm.2020.12.004
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