本文研究了線弧增材制造（WAAM）最新創(chuàng)新方法。

摘要

線弧增材制造（WAAM）已成為一種以逐層方式設(shè)計和生產(chǎn)材料的最新創(chuàng)新方法?？紤]到經(jīng)濟(jì)地制造具有相對高沉積速率的大型金屬零件的便利性，象征性的進(jìn)步使得研究WAAM技術(shù)及其挑戰(zhàn)、設(shè)計部件的類型成為可能。本文綜述了WAAM技術(shù)及其常用材料的最新研究進(jìn)展。同時討論了WAAM中常見的錯誤，以及WAAM的優(yōu)點。

鋁合金在海洋、航空航天和汽車工業(yè)中起著關(guān)鍵作用。本文也討論了不同系列的鋁合金在不同行業(yè)中的應(yīng)用。5xxx和6xxx系列鋁合金廣泛應(yīng)用于所有海洋工業(yè)。最后，討論了未來更好地推進(jìn)該技術(shù)的重點領(lǐng)域。

鋁合金SPF首次應(yīng)用于航空領(lǐng)域。波音777使用5083鋁合金制造翼尖。雷神地平線公司生產(chǎn)的2004年鋁合金采用SPF技術(shù)制造尾部零件。

1.介紹

多年來，WAAM對工業(yè)部門的吸引力迅速增加。這種吸引力背后的主要原因是它有潛力以低成本、高沉積速率和高精度制造大型組件，以實現(xiàn)材料的光潔度。由于這些主要的積極因素，WAAM正在成為多種元素（如鈦、鋁合金、鎂合金和鋼）的可靠工藝。如今，增材制造（AM）技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，其目的是通過分層沉積材料來制造商品，以替代依賴于原材料加工的常用技術(shù)。根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，金屬的AM分為三種類型：薄板層壓、定向能沉積和粉末層熔合。

圖1 金屬AM的詳細(xì)總結(jié)

在上述工藝中，氣體金屬電弧或氣體鎢電弧用作熱源，金屬絲用作原料。研究人員得出結(jié)論，與傳統(tǒng)方法相比，該過程所需的時間減少了40–60%。WAAM的整個過程分為三個階段：金屬沉積、工藝規(guī)劃和后處理。3D模型的生成，2D模型的刀具路徑生成，為每層建立沉積參數(shù)，識別焊接條件，如工藝規(guī)劃下的電壓、焊接速度下降（圖2）。這種技術(shù)被證明，更好的BTF比傳統(tǒng)的制造過程更有優(yōu)勢。除去昂貴的材料，這是粉末基方法的更好的技術(shù)。本文旨在介紹采用WAAM技術(shù)通過各種工藝制造的鋁及其合金的各種應(yīng)用。這里還討論了可能的和經(jīng)常發(fā)生的缺陷及其類型。結(jié)論還涵蓋了關(guān)注質(zhì)量改進(jìn)的主題。

圖2 WAAM工藝示意圖

2.2.不同的焊接方法

2.2.1.鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）

用于GTA焊接的材料由鎢合金制成。這是因為與任何其他金屬相比，鎢的熔化溫度最高，約為6170F。焊接電流是選擇所用焊條尺寸的標(biāo)準(zhǔn)。電極越大，電流越大。直徑較小的焊條是另一種選擇，可用于焊接較薄的材料。

碳化鎢通常被認(rèn)為是一種硬質(zhì)金屬，因為它的硬度比其他陶瓷粉末高。碳化鎢的熔點高達(dá)2870°C。碳化鎢是金屬鎢與碳在1850-2000℃下通過化學(xué)反應(yīng)合成的。碳化鎢粉的SEM照片如圖所示。碳化鎢(WC)是一種非常受歡迎的材料，因為它具有吸引人的機(jī)械、物理和化學(xué)性能，如高硬度、高熔點、良好的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性以及高耐腐蝕性(Liu等人， 2016)。

2.2.2.氣體保護(hù)金屬極電弧焊（GMAW）

這是一種通過電弧合并由外部供氣保護(hù)的連續(xù)饋電消耗性電極產(chǎn)生熱量的方法。

2.2.3.等離子弧焊（PAW）

該方法涉及GTAW，電弧可以通過金屬和電極形成。PAW工藝和GTAW之間的顯著區(qū)別在于，焊工可以將電極放置在PAW焊炬體內(nèi)，以使PAW遠(yuǎn)離保護(hù)氣體。之后，等離子體被輸送到噴嘴周圍，噴嘴將壓縮電弧，使等離子體隨著溫度的升高以高速離開。該方法使用非消耗性鎢電極。通過為整個噴嘴孔內(nèi)的等離子體提供額外的強(qiáng)度，可以形成電弧。這種電弧焊方法可以有效地應(yīng)用于所有可通過GTAW工藝連接的金屬。

2.3.WAAM過程中的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

原材料價格的顯著變化創(chuàng)造了一種成本效率更高的基于金屬線的方法，而不是基于粉末的方法。盡管有這樣明顯的成本優(yōu)勢，但當(dāng)采用鋁和鋼等低成本材料時，這種優(yōu)勢就變得極為可疑。WAAM可使鋼的沉積速率達(dá)到10 kg/h。它比粉末法高出約16倍，后者擁有最高的沉積速率為600 g/h。為了達(dá)到高的生產(chǎn)效率，送絲必須是最佳的。這將有利于不受控制的沉積焊縫，將導(dǎo)致增加過程不穩(wěn)定性，并隨后施加表面粗糙度。與基于電子和激光的方法相比，WAAM由于腔室尺寸限制了物體的總體尺寸，因此能夠在不受尺寸限制的情況下制造部件。

2.4.WAAM過程中出現(xiàn)的缺陷

2.4.1.多孔性

孔隙度是任何材料最常見的缺陷之一。它是由氫氣引起的，氫氣被困在凝固的鋁泥周圍，并在成品焊縫中留下空隙。氫在熔融鋁中有很高的溶解度。出于同樣的原因，在對鋁進(jìn)行電弧焊接時，可能會產(chǎn)生大量氣孔，這一點也得到了認(rèn)真考慮。有時，根據(jù)孔隙類型之間的差異以及掃描速度對孔隙的控制方式，可使用氬氣或氦氣的保護(hù)氣體混合物降低孔隙水平。此外，工藝參數(shù)對孔隙度發(fā)展有定量影響。此外，掃描速度以主觀方式控制孔隙度。

2024和7075合金易發(fā)生凝固裂紋。上圖是鋁焊接中凝固裂紋的一個實例。5xxx系列合金中的鎂等揮發(fā)性元素(主要合金元素)在焊接過程中會揮發(fā)，從而影響焊縫的抗拉性能。

2.4.2.裂紋和分層

與材料的極限抗拉強(qiáng)度相比，殘余應(yīng)力值增加，導(dǎo)致裂紋發(fā)展。介于極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度之間的殘余應(yīng)力會導(dǎo)致變形。靠近沉積材料的分層會導(dǎo)致分層。突出的原因是，在開發(fā)新層時，下伏層的重熔不當(dāng)。

如圖，拉伸強(qiáng)度是在長20厘米(7.9英寸)寬15-25毫米(0.6-1.0英寸)的紙條上測量，使用恒定的伸長率，根據(jù)TAPPI標(biāo)準(zhǔn)T 494。報告的極限力為lb/in、kg/m、N/m。拉伸指數(shù)(通過拉伸強(qiáng)度除以基準(zhǔn)重量得到)和斷裂長度是報告基準(zhǔn)重量歸一化后的拉伸強(qiáng)度的交替方法。其他材料的抗拉強(qiáng)度以力/面積為單位報告，而不是像紙張那樣以力/寬度為單位報告。與依賴于紙張方向的所有其他強(qiáng)度特性一樣，紙張的抗拉強(qiáng)度應(yīng)在MD和CD中分別測量?？估瓘?qiáng)度也可以在擺型機(jī)器(標(biāo)準(zhǔn)t404)上測量，這可能會給出稍微不同的結(jié)果。濕強(qiáng)紙的抗拉強(qiáng)度由標(biāo)準(zhǔn)t456測定。零跨度拉伸測試可以用來測量板材內(nèi)纖維的強(qiáng)度(相對于纖維間粘接)。

2.4.3.拉伸殘余應(yīng)力

即使在沒有外部載荷和熱梯度的情況下，某些應(yīng)力仍然存在于物體中。這些應(yīng)力稱為拉伸殘余應(yīng)力。在特定情況下，由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致變形和物體翹曲，會發(fā)生塑性變形。

如圖，用x射線衍射、光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡詳細(xì)分析了半晶聚合物塑性變形的機(jī)理。特別是對聚乙烯單軸變形的情況進(jìn)行了研究。這種處理僅限于分析由非晶區(qū)連接的球晶的三個相鄰晶片的修飾。

3.鋁合金

3.1.鋁合金簡介

在地殼中，鋁據(jù)說是第三種豐富的元素。由于鋁及其合金具有良好的耐腐蝕性、導(dǎo)熱性、可焊性和強(qiáng)度重量比，因此各種各樣的鋁及其合金正在工業(yè)中使用。使用優(yōu)質(zhì)鋁合金確保技術(shù)系統(tǒng)后的效益。在更換關(guān)鍵總成和總成期間應(yīng)用組合原則，其忠誠度直接影響整個復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)（如機(jī)動車）的完整性，且準(zhǔn)確地說。使用領(lǐng)先的車輛維修概念，如精益維修概念（圖3）。在鋁合金等主導(dǎo)材料的幫助下，可以使用合適的模擬工具和軟件包（如ADVISOR、PSAT、RCF方法）預(yù)測行為。鋁合金? 鎂? Mn顯示出強(qiáng)度和成形性的最佳混合。由于其特殊的高應(yīng)變硬化，這些都是通過變形硬化和固溶機(jī)制實現(xiàn)的。AlMg5Mn（A5182）等合金已被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜沖壓件和高強(qiáng)度件。

圖3 鋁的市場滲透和直接質(zhì)量節(jié)約

3.2.鋁合金WAAM

3.2.1.GTA焊接

GTA焊接過程中的平滑沉積層是通過提供單獨的材料和能量輸入獲得的。熱輸入是獲得外觀平滑度和各層均勻性的關(guān)鍵因素。純鋁1xx或鋁錳合金3003是鋁中最常用的合金焊接工藝。使用HTS-2000釬桿，鋁釬焊用于鋁的制造和維修，因為其成本較低，并且產(chǎn)生牢固的焊縫。

3.2.2.GMA焊接工藝

GMA-WAAM中的鋁沉積速率約為1 kg/hr。鋁合金GTA-WAAM中的金屬液滴過渡和電弧被認(rèn)為是影響制造材料質(zhì)量的關(guān)鍵因素。Haselhuhn等人使用不同的鋁合金進(jìn)行的一項實驗得出結(jié)論，當(dāng)考慮強(qiáng)度和孔隙率時，4000系列與其他系列相比表現(xiàn)出更好的性能。Horgar等人通過實驗得出結(jié)論，WAAM沉積了AA5183鋁合金。隨著孔隙度的增加，在沉積后續(xù)層的同時，已經(jīng)形成的層的預(yù)熱區(qū)中幾乎沒有額外的裂紋。

人們普遍認(rèn)為，產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)取決于其在制造過程中的熱歷史。獨特的WAAM熱循環(huán)，包括反復(fù)加熱和冷卻，在加工零件中產(chǎn)生亞穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)和不均勻成分。例如，Baufeld等人研究了使用基于gtaw的WAAM系統(tǒng)制備的Ti6Al4V的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在預(yù)制墻體上有兩個不同的區(qū)域。在垂直于構(gòu)建方向的底部區(qū)域，出現(xiàn)了帶α相片層的籃波Widmanst?tten結(jié)構(gòu)，而在頂部區(qū)域，沒有帶層，主要是針狀的沉淀結(jié)構(gòu)。在po基過程中也觀察到類似的微觀結(jié)構(gòu)演變。Lin等報道了沿build方向的漸變組織，并從底部到頂部識別出馬氏體α′結(jié)構(gòu)、Widmanst?tten結(jié)構(gòu)和籃波結(jié)構(gòu)，如圖所示。由于熱梯度的影響，在構(gòu)建方向上還觀察到具有離散方向的β晶粒的外延生長，這在增材制造的鈦合金部件中很常見。

4.應(yīng)用

4.1.航空航天領(lǐng)域的WAAM

目前，AI-Li合金有機(jī)會實現(xiàn)8-10%的重量節(jié)省和高達(dá)15%的額外剛度，同時滿足驗收水平的其余性能標(biāo)準(zhǔn)?？梢哉J(rèn)為，傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配方法避免了使用碳樹脂復(fù)合材料所固有的巨大轉(zhuǎn)換成本。AA2219合金是必不可少的。由于它可焊接，在液氫和氧氣溫度下具有良好的強(qiáng)度和斷裂韌性，因此它一直是儲罐運輸?shù)闹е?。在早期，直?0世紀(jì)90年代，鋁鋰合金一直以傳統(tǒng)方式使用。例如，阿波羅登月艙結(jié)構(gòu)中使用了AA2219和AA7075。圖4中的A380示例是一幅令人興奮的圖片，因為它說明了名義上相同應(yīng)用的不同材料選擇。

圖4 奧迪AL2鋁合金車身結(jié)構(gòu)

第三代鋁鋰合金用于小型直升機(jī)、運輸機(jī)和高性能軍用飛機(jī)尚未開發(fā)。鋁工業(yè)正在努力開發(fā)并以合理的價格提供具有挑戰(zhàn)性的材料，以便在不久的將來使用。

4.2.WAAM在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

汽車工業(yè)中鋁及其合金的發(fā)展已用于車輪、變速器、發(fā)動機(jī)和熱交換器的鑄造。最特別的減重范圍是白色車身（白車身）和大量鋁（圖4）。

最近的研究表明，用鋁代替鋼可使白車身重量減輕50%。與其他減少過程相比，這將導(dǎo)致車輛總重量減少20–30%。SLC車身在質(zhì)量減少95 kg（34%）與參考（65–110 kg）和額外部件成本5盧比/kg（圖5）之間表現(xiàn)最佳。

圖5 最終的slc體多材料概念

4.3.WAAM在海洋工業(yè)中的應(yīng)用

鋁是一種失重且廣泛使用的有色金屬。碳鋼和高強(qiáng)度低合金鋼是海洋工業(yè)中使用的兩種最常見的鋼。碳鋼的屈服強(qiáng)度約為235MPa，HSLA的屈服強(qiáng)度介于215和350 MPa之間。鋁合金用于一些運輸系統(tǒng)，如渡輪、貨船、水翼艇和船只，因為重量輕，速度快。與鋼相比，鋁合金還提供了約60%的原始重量。這就是它被用于船體和上部結(jié)構(gòu)的原因。

此外，鋁以其加工鋁材料時的速度和易用性而聞名。由于硅的存在，6xxx系列鋁合金可輕松鑄造?？傊?，可以說，鋁及其合金主要用于多種應(yīng)用，如船舶和船舶的建造，因為其易于獲得，在制造過程中提供舒適性，穩(wěn)定性，以及高強(qiáng)度重量比。

靜強(qiáng)度始終是選擇鋁合金的主要考慮因素。只有當(dāng)合金具有結(jié)構(gòu)性能所需的最低強(qiáng)度時，才考慮強(qiáng)度和其他性能之間的權(quán)衡，例如斷裂韌性、抗疲勞退化性和各種類型的腐蝕。在過去的幾十年中，鋁合金的開發(fā)同時顯著提高了強(qiáng)度和其他性能。在這些PH系統(tǒng)中，通過二次合金化增材組合，減輕雜質(zhì)元素的影響，并使用圖中示意性所示的加工順序，產(chǎn)生所需的微觀結(jié)構(gòu)并優(yōu)化性能。

5.結(jié)論

上文對鋁和焊接工藝的幾個方面進(jìn)行了詳細(xì)的回顧。本文討論了不同類型的焊接工藝、焊絲電弧添加劑制造的發(fā)展、從傳統(tǒng)焊接方法轉(zhuǎn)向新工藝、挑戰(zhàn)和優(yōu)勢、鋁及其不同類型合金的介紹，以及鋁合金在主要行業(yè)中的應(yīng)用。以下提到了一些關(guān)鍵的收獲和未來的研究方向：

?WAAM制造零件中出現(xiàn)的缺陷與目標(biāo)材料特性和工藝指南共同相關(guān)。

?船體設(shè)計和維護(hù)中的主要問題是由腐蝕引起的，腐蝕導(dǎo)致強(qiáng)度收縮。

?本研究的實際好處是，通過了解線弧添加劑制造以及制造過程中面臨的幾個應(yīng)用和挑戰(zhàn)，以及克服鋁及其合金制造過程自動化的方法。

?WAAM作為一個未來的經(jīng)濟(jì)機(jī)遇，在一定程度上可以滿足航空航天和汽車領(lǐng)域?qū)︿X零件，特別是高強(qiáng)度合金的日益增長的需求。

?由于工程材料要求的復(fù)雜性和規(guī)模生產(chǎn)的滑動性，許多WAAM工藝設(shè)計可能以針對特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的方式建立，而不是使用能夠處理所有可能復(fù)雜情況的單一工藝。

為了提高性能，可以對分層和殘余應(yīng)力缺陷進(jìn)行進(jìn)一步研究。

來源：Recentdevelopments and challenges associated with wire arc additive manufacturing ofAl alloy: A review，MaterialsToday: Proceedings，https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.542

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