混合金屬增材制造:最新研究進(jìn)展（2）

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：本文探討了混合金屬增材制造的研究進(jìn)展。本文為第二部分。
混合金屬增材制造:最新研究進(jìn)展（1）：http://m.lhkhtyz.com/thread-153029-1-1.html
2.3.2 DED-based流程

圖3 金屬增材制造(MAM)工藝的分類屬于兩類(PBF和DED)，在三維金屬零件的構(gòu)建中有著廣泛的應(yīng)用。

圖3中列出的基于生成的過(guò)程之間的主要區(qū)別來(lái)自于熱能的來(lái)源和用于輸送原料的系統(tǒng)，并在零件的建造過(guò)程中確保其同時(shí)沉積和熔化。

激光直接能量沉積(Laser direct energy deposition, L-DED)利用激光熔覆的工作原理，一層一層地構(gòu)建三維金屬零件(圖5a)。原料可以是粉狀或線狀;在粉末的情況下，材料被分割并通過(guò)激光頭饋送(通常是同軸的)，而在線材的情況下，材料是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，從激光頭分離。

圖5 以下的工作原理的示意圖表示基于的過(guò)程。

(a)激光直接能量沉積(LD-DED);
(b)電子束直接能量沉積(EB-DED);
(c)氣體金屬電弧直接能量沉積(GMA-DED);
(d)氣體鎢極電弧直接能量沉積(GTA-DED);
(e)等離子弧直接能量沉積(PA-DED)。

使用線材的最大沉積速率可達(dá)2 kg/h，表面粗糙度一般在30 μm以上。由于不需要使用受控的環(huán)境室，該過(guò)程可以自動(dòng)化，以增強(qiáng)構(gòu)建復(fù)雜三維零件的路徑運(yùn)動(dòng)靈活性。從激光頭流出的保護(hù)氣體保護(hù)熔體池免受氧化，并作為載體協(xié)助粉末轉(zhuǎn)移到熔體池。

電子束直接能量沉積(EB-DED)的工作原理與L-DED類似，只是電子束在受控真空條件下工作，取代了激光束熱源(Fuchs 等，2018)(圖5b)。由于在真空中對(duì)金屬粉末流動(dòng)的處理不當(dāng)，該工藝只使用線材作為原料，這可能會(huì)影響零件的最終質(zhì)量和精度。

EB-DED可以制造大尺寸的零件，沉積速率從3到10公斤/小時(shí)，取決于材料和零件特性。在某些情況下，高沉積速率和大熔體池會(huì)產(chǎn)生顯著的熱應(yīng)力，這需要基體和夾具的考慮。成品零件的表面粗糙度是無(wú)關(guān)緊要的，因?yàn)楸仨氝M(jìn)行二次操作才能得到成品零件。

圖3中歸類在WAAM(絲弧增材制造)子類別下的工藝是指那些使用電弧作為熱能來(lái)源并具有類似于弧焊工藝的工作原理的工藝。基于waam的工藝通常精確度較低，但比L-DED更快，因?yàn)槌练e速率可達(dá)5 - 6kg /h。它們也比L-DED更高效，因?yàn)閷㈦娔苻D(zhuǎn)化為激光束需要更大的能量需求。

WAAM與EB-DED的對(duì)比，可以說(shuō)沉積速率較高，但精度較低。然而基于WAAM的工藝在擁有自己焊接設(shè)備的研究機(jī)構(gòu)和行業(yè)中的吸引力源于這樣一個(gè)事實(shí)，即通過(guò)購(gòu)買所需的CNC機(jī)構(gòu)或?qū)⒃O(shè)備安裝到現(xiàn)有的機(jī)器人中，創(chuàng)建具有在短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)大尺寸零件能力的MAM系統(tǒng)相對(duì)容易且成本較低跨度。

氣體金屬電弧焊(GMAW)是WAAM中應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)，它是在惰性或主動(dòng)保護(hù)氣體的保護(hù)下，自耗電絲(電極)的尖端形成電弧，自耗電絲(電極)在惰性或主動(dòng)保護(hù)氣體的保護(hù)下通過(guò)噴嘴自動(dòng)進(jìn)入焊接池。在指定的氣體金屬電弧直接能量沉積(GMA-DED)下(Williams等人，2016)(圖5c)。這是因?yàn)镚MA-DED是最簡(jiǎn)單和最便宜的工藝，因?yàn)樗�直接送絲，與焊槍的噴嘴是同軸的。

另外兩個(gè)基于waam的過(guò)程如圖3所示;氣體電弧直接能量沉積(GTA-DED) (Baufeld等人，2010)和等離子電弧直接能量沉積(PA-DED) (Martina等人，2012)，使用非自耗電極(通常由鎢制成)和正在施工的金屬部分之間形成的電弧(圖5d和5e)。這兩種工藝的工作原理都來(lái)自于鎢極氬弧焊(GTAW)和等離子弧焊(PAW)設(shè)備(Wu 等， 2018)，因此，原料絲不像GMA-DED那樣通過(guò)噴嘴供應(yīng)，而是通過(guò)一個(gè)額外的送絲裝置。

由于PA-DED中的電弧比GTA-DED中的電弧具有更大的能量濃度、更好的穩(wěn)定性和更小的熱變形，沉積速率比GTA-DED中的高。事實(shí)上，PA-DED仍然是唯一一種基于電弧的MAM工藝，它也可以使用粉末作為原料(Zhang, 2003)。

3.混合生產(chǎn)
自上世紀(jì)90年代末“混合制造”一詞開(kāi)始廣泛使用以來(lái)，研究人員就一直在為該給它下一個(gè)正確的定義而努力。Rajurkar等人(1999)將“混合加工”定義為兩種或多種材料去除過(guò)程的組合。由于兩種或兩種以上材料去除工藝的組合是大多數(shù)減色法制造路線的固有特性，因此這種描述有些模糊，Kozak和Rajurkar(2000)決定重新調(diào)整定義，要求混合加工過(guò)程的性能特征與單獨(dú)加工過(guò)程的性能特征有很大的不同。

Aspinwall等人(2001)進(jìn)一步加強(qiáng)了“混合加工”的定義，認(rèn)為兩種或更多材料去除過(guò)程的組合只能被認(rèn)為是“混合”，如果它們被單獨(dú)應(yīng)用在一臺(tái)機(jī)器上。如果材料去除過(guò)程是同時(shí)應(yīng)用的，集成應(yīng)該被稱為“輔助”。

在這些初步嘗試定義“混合加工”的同時(shí)，金屬成形界也在使用“混合”一詞來(lái)描述基于不同成形工藝組合(例如擠壓和電磁成形)的制造路線(Jäger等，2011)。

2010年初，人們意識(shí)到“混合制造”一詞應(yīng)該從更廣泛的角度來(lái)使用，包括機(jī)械加工以外的其他過(guò)程，這使得一些作者將“混合制造”與每個(gè)組合過(guò)程的基本原理聯(lián)系起來(lái)，即在同一加工區(qū)域同時(shí)使用的不同形式的能量(Nau等， 2011)。

認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)提出了混合制造過(guò)程的定義，即“基于過(guò)程機(jī)制和/或?qū)�過(guò)程性能有顯著影響的能源/工具的同時(shí)和受控的相互作用”。然而，隨后關(guān)于“同步和受控的交互作用”這一措辭的爭(zhēng)論要求過(guò)程機(jī)制和/或能源/工具在同一加工區(qū)域或多或少地相互作用，同時(shí)也產(chǎn)生了混合制造隨后的兩個(gè)定義(Zhu 等， 2013):

(a)基于先前的定義，混合制造的狹義定義要求在同一加工區(qū)域使用不同的工藝機(jī)制;
(b)混合制造是一種開(kāi)放式的定義，基于將兩種或兩種以上已建立的制造工藝組合成一個(gè)新的組合結(jié)構(gòu)。

狹義的混合制造是從并行的角度來(lái)看的，即兩個(gè)或兩個(gè)以上的工藝在同一時(shí)間原位組合。開(kāi)放式定義從工藝順序的角度看待混合制造，并與采用創(chuàng)新組合制造方法而不是傳統(tǒng)制造方法的收益密切相關(guān)。此外，組合工藝不再需要基于不同的技術(shù)，如Araghi等人(2009)所示，他們成功地將拉伸成形和增量成形(即兩種塑性變形工藝)集成到一個(gè)創(chuàng)新的混合裝置中。

重新審視Lauwers等人(2014)的上述定義，將混合制造分為兩大類(圖6a)。第一組(稱為“I”)恢復(fù)了混合制造的狹隘(并發(fā))觀點(diǎn)，并包含兩種或更多能源/工具組合在一起的過(guò)程，并在加工區(qū)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。該小組進(jìn)一步分為兩個(gè)子組:I.A -包含輔助過(guò)程，其中一個(gè)二級(jí)過(guò)程是先驗(yàn)地用來(lái)協(xié)助原始過(guò)程原位，和I.B -包含混合過(guò)程，其中兩個(gè)或更多的過(guò)程是同時(shí)使用的。

圖6 基于Lauwers等人(2014)最初提出的混合制造工藝的新擴(kuò)展分類(參考黑色虛線區(qū)域)。

第二組(稱為“II”)與混合制造的開(kāi)放定義有關(guān)，并說(shuō)明了為以更有效和更具生產(chǎn)力的方式制造零件而通過(guò)控制各工序的單獨(dú)組合來(lái)獲得協(xié)同效應(yīng)的過(guò)程。凸臺(tái)成形和鐓粗的組合將板材連接到管的末端(Alves等人，2018)，以及部分切割、彎曲和板材-體積成形的組合，以生產(chǎn)金屬板材搭接接頭(Pragana等人，2018)是屬于這一組的兩個(gè)例子。

如上所述，我們可以得出結(jié)論，圖6所示的混合制造的分類從最初的概念只專注于機(jī)械加工發(fā)展到一個(gè)更廣泛的概念，包括其他制造工藝和路線。然而，Lauwers等人(2014)最初的分類背后的根源(參考圖6中的虛線區(qū)域)與主要加工原料的使用有很深的聯(lián)系，這些原材料的形式有錠、板、片、棒、管、型材、粉末、球團(tuán)等。

考慮到新的混合制造路線的出現(xiàn)，該路線基于通過(guò)增材和傳統(tǒng)制造工藝組合使用額外沉積的材料來(lái)制造難以（甚至不可能）通過(guò)每種工藝單獨(dú)獲得的零件，有必要修改Lauwers等人（2014）的原始分類，以包括兩個(gè)新的第二亞組II.A and II.B（圖6）。

II.A子組包括對(duì)主要加工原材料的工藝機(jī)制的受控應(yīng)用。子組II.B，以下簡(jiǎn)稱為混合增材制造（HAM），包含對(duì)增材沉積材料的過(guò)程機(jī)制的受控應(yīng)用，以及對(duì)先前經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)制造工藝的主要加工原材料的增材制造的受控應(yīng)用。

這種新分類背后的愿景為增材制造與傳統(tǒng)制造工藝的混合鋪平了道路，目的是增加其適用性領(lǐng)域并克服與低生產(chǎn)率，粗糙表面質(zhì)量和缺乏尺寸精度相關(guān)的限制（表1）。相反，增材制造的雜交也可能有助于增加靈活性，并促進(jìn)傳統(tǒng)制造工藝/路線的新應(yīng)用。

表 1.增材制造和其他成型和加工工藝的尺寸公差

本文的第三部分將集中于金屬混合增材制造(以下簡(jiǎn)稱“金屬增材制造”)，特別強(qiáng)調(diào)金屬增材制造(MAM)與成形工藝的結(jié)合。

4. 金屬混合增材制造
4．1. 具有多熱源的金屬高溫焊接
基于多熱源利用的金屬混合增材制造屬于圖6的I.A組（輔助工藝），熱能源僅輔助主要增材制造工藝。這種想法在2000年代中期開(kāi)始引起人們的注意，其根源在于新型混合焊接工藝的開(kāi)發(fā)，該工藝能夠通過(guò)電弧輔助激光，克服激光焊接在間隙限制、涂層損壞和熔融材料內(nèi)氣孔形成方面的局限性（Ono，2002）。

使用多種熱能的概念最終在MAM領(lǐng)域得以實(shí)現(xiàn)，通過(guò)提供補(bǔ)充能源來(lái)提高工藝穩(wěn)定性。例如，Qian等人（2006年）提出利用激光輔助等離子弧直接能量沉積（PA-ED）系統(tǒng)。Zhang等人（2006年）評(píng)估了這種新的混合制造輔助工藝，稱為“激光等離子體沉積制造”，并總結(jié)了其在獲得快速厚且均勻的涂層沉積方面的能力，以及比原始（非輔助）PA-ED系統(tǒng)提供的更好的機(jī)械性能。

最近，Zhang等人（2018）開(kāi)發(fā)了一種激光輔助GMA-DED系統(tǒng)，用于制作薄壁鋁試樣，并證明了該概念在控制高度和壁寬均勻性方面的有效性（圖7a）。其他研究人員專注于評(píng)估和分析這種新型混合增材制造工藝的微觀結(jié)構(gòu)（Liu等人，2020年）和沉積策略（Li等人，2020年）。

圖7 金屬增材制造示意圖，其中（a）GMA-DED和（b）GTA-DED系統(tǒng)由激光熱源輔助。

Wu等人（2020年）利用激光輔助GTA-DED變體制作了鋁試樣（圖7b），與其他AM工藝制作的試樣相比，該試樣顯示出良好的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，以及較小的裂紋和氣孔發(fā)生率。

4.2. 金屬HAM與材料去除工藝
金屬增材制造（MAM）與材料去除工藝（也稱為“減材工藝”）的混合可分為兩類：

（a）在后處理級(jí)別利用材料去除工藝，以獲得制造零件所需的幾何精度、尺寸公差和表面質(zhì)量；

（b）在制造過(guò)程中整合材料去除過(guò)程，以獲得不可能（或非常困難且昂貴）通過(guò)增材制造或材料去除操作單獨(dú)生產(chǎn)的零件。

本文將不考慮第一類，因?yàn)楹筇幚聿牧先コ�操作是大多�?shù)金屬增材制造（MAM）路線的固有操作，以確保制造的零件符合設(shè)計(jì)規(guī)范。其中一個(gè)例子是移除圖8a所示金屬構(gòu)件的“樓梯”輪廓。

圖8 （a）在后處理級(jí)別使用金屬去除工藝以消除金屬制造零件的“階梯”輪廓的示意圖，以及（b）傳統(tǒng)金屬去除工藝和混合增材制造工藝與材料去除的BTF比率比較。

這種類型的集成早已得到認(rèn)可，并體現(xiàn)在混合制造系統(tǒng)的可用性中，該系統(tǒng)具有組合銑削/車削和MAM功能，可在較短的交付周期內(nèi)使用單一夾具生產(chǎn)現(xiàn)成的復(fù)雜金屬制造零件（Lorenz et al.，2015；Merklein et al.，2016）。

雖然這一類別可以被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單的，但不可能低估其在降低總體材料和能源消耗方面的重要性。在加工昂貴且難以加工的材料（如鈦或鎳基超級(jí)合金）的情況下，這一點(diǎn)得到了進(jìn)一步認(rèn)可，因?yàn)橘?gòu)買飛行（BTF）比率（圖8b）的降低，即初始工件的質(zhì)量與成品零件的質(zhì)量之比，通過(guò)將金屬增材制造（MAM）與后處理水平的材料去除相結(jié)合，可以非常有效地降低總體制造成本和材料浪費(fèi)（Seow等人，2019年）。

第二類允許生產(chǎn)具有復(fù)雜特征的各種復(fù)雜零件，但也包括圖9所示的簡(jiǎn)單零件。事實(shí)上，在圖9所示的制造零件中，嘗試在“后處理水平”（即MAM循環(huán)結(jié)束后）使用金屬去除操作是不可行的，因?yàn)榍邢鞯毒咴L問(wèn)受限。在這種情況下，懸邊、淺截面或復(fù)雜特征的加工必須與制造過(guò)程中的材料沉積一起進(jìn)行（Luo和Frank，2010）。

圖9 在制造過(guò)程中，將金屬增材制造和材料去除相結(jié)合，以制造最終的金屬零件。

從上述第二類的角度來(lái)看，金屬增材制造與材料去除過(guò)程的整合始于20世紀(jì)90年代中期。Fessler等人（1996）和科洛克等人（1996）結(jié)合了早期的L-DED系統(tǒng)，該系統(tǒng)由激光器和耦合送粉系統(tǒng)組成，（當(dāng)時(shí)廣泛用于激光熔覆的設(shè)備），配有高速銑床，在金屬沉積的中間階段執(zhí)行材料去除操作。

然而，通過(guò)定制MAM工藝和/或材料去除操作，去除材料的金屬HAM研究在2000年中期才開(kāi)始擴(kuò)大和鞏固。例如，Kerschbaumer和Ernst（2004）重新審視了早期的概念，并在刀具軌跡生成、激光電源性能和送粉定制策略方面提供了進(jìn)一步的見(jiàn)解。Sreenathbabu等人（2005年）將GMA-DED集成到CNC銑削系統(tǒng)中，用于將不規(guī)則層加工成更精確的平面形狀。Song等人（2005年）在銑床上組裝了兩個(gè)GMA焊炬和一個(gè)激光器，以獲得一個(gè)混合多任務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過(guò)自動(dòng)調(diào)幅工具切換設(shè)備提供更精確和選擇性的金屬沉積。

在開(kāi)發(fā)混合多任務(wù)系統(tǒng)的同一系列產(chǎn)品中，Kovacevic和Valant（2006）為一個(gè)六軸機(jī)器人系統(tǒng)申請(qǐng)了專利，該系統(tǒng)用于制造具有等離子和激光沉積能力的金屬零件。Xinhong等人（2010年）開(kāi)發(fā)了一個(gè)結(jié)合PA-DED增材制造和銑削的系統(tǒng)，以制造由鎳超級(jí)合金制成的航空發(fā)動(dòng)機(jī)雙螺旋整體葉輪。

這些例子和上面沒(méi)有提到的其他例子，刺激機(jī)床行業(yè)在2010年代早期開(kāi)發(fā)并商業(yè)化第一個(gè)混合增材制造系統(tǒng)。DMG Mori推出了LASERTEC 65 3D混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)將L-DED材料沉積（激光頭通過(guò)同軸噴嘴進(jìn)行材料沉積）與全五軸銑床相結(jié)合（伍德科克，2014年）。馬扎克推出了Integrex i-400 a.m.，該產(chǎn)品還基于L-DED與五軸加工能力的結(jié)合（混合制造技術(shù)，2014）。

事實(shí)上，目前大多數(shù)可用的內(nèi)部和商用混合增材制造系統(tǒng)都基于DED技術(shù)，因?yàn)樗�具有更大的靈活性，可以將增材和減材工藝組合到一臺(tái)機(jī)器中（Manogharan等人，2015）。

第一個(gè)基于PBF技術(shù)的混合增材制造系統(tǒng)是Lumex Avance-25 byMatsuura（2020）。該系統(tǒng)將LPBF的材料沉積與高速銑削相結(jié)合，并因其完善模具外部輪廓、表面粗糙度和腐蝕特性的潛力而受到關(guān)注（Ahn，2011）。

為了提高金屬沉積的靈活性，3D Hybrid（2020）公司目前提供了將GMA-DED、L-DED和冷噴涂頭（通常用于涂層應(yīng)用）集成到CNC加工中心的可能性。

復(fù)合拉伸成形和AISF。

非對(duì)稱增量板料成形(AISF)是一種適用于鈑金件小批量生產(chǎn)的柔性成形工藝。但存在薄度過(guò)大、幾何精度低、工藝持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、缺乏可靠的虛擬工藝規(guī)劃工具等問(wèn)題。為了克服這些限制，拉伸成形和AISF的結(jié)合得到了發(fā)展 (上圖)。

4.3 金屬HAM與成形工藝
金屬增材制造(MAM)與成形工藝的雜交，通過(guò)成形生產(chǎn)出中批量或大批量的半成品，然后通過(guò)增材制造添加額外的功能元素，被認(rèn)為是一種有效的方法，將傳統(tǒng)的成型工藝路線延伸到定制的、以客戶為導(dǎo)向的產(chǎn)品制造中(Merklein, 2016)。

金屬?zèng)_壓成形工藝的另一個(gè)方面是，通過(guò)增材制造優(yōu)化幾何形狀的預(yù)制件結(jié)構(gòu)，以確保在小批量、單級(jí)成形操作中無(wú)缺陷流動(dòng)和模具填充，并具有較小的金屬損耗(Silva等人，2017年)。

最后，也有可能將MAM與成形工藝結(jié)合起來(lái)，以改善沉積金屬在工藝路線期間和結(jié)束時(shí)的性能。在連接這值得一提的是,MAM的利用率提高的表面形成工具(如提高硬度、磨損和抗氧化性能工具)( Hofmann等, 2015)這里不考慮,因?yàn)樗�不適合混合制造第三節(jié)中給出的定義。基于相同的原因，通過(guò)增材制造制造金屬成形工具(Juncker等人，2015)并不包括在下文中。

考慮到之前的框架，作者決定將金屬增材制造(MAM)與成形工藝的組合分為四種不同的類別:

-與工藝相結(jié)合，提高沉積金屬的性能;
-與大體積成形工藝集成;
-與板材成形工藝集成;
-通過(guò)成形過(guò)程的整合與連接;

4.3.1 與工藝相結(jié)合，提高沉積金屬的性能

將金屬混合增材制造與改善沉積金屬性能的工藝相結(jié)合的根源在于機(jī)械表面處理。本節(jié)要考慮的第一個(gè)整體是，在攪拌摩擦焊產(chǎn)生的焊接珠上施加壓力，作為控制殘余應(yīng)力和變形的一種手段(Altenkirch等人，2009年)，找到附加的根源。這一過(guò)程，以下稱為“表面軋制”，通過(guò)一個(gè)堅(jiān)硬和高度拋光的滾輪，使焊縫表面發(fā)生塑性變形，以提高表面光潔度，并產(chǎn)生壓應(yīng)力，以抵消焊接加熱-冷卻循環(huán)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

Colegrove等人(2013)對(duì)基于waam工藝的連續(xù)沉積層進(jìn)行了首次表面軋制(圖10)。過(guò)程是在每一個(gè)新的層冷卻到near-ambient溫度和結(jié)果展示了其積極的影響在減少殘余應(yīng)力和變形,還在最后的微觀結(jié)構(gòu),由于減少晶粒尺寸由塑性變形引起的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的。

圖10 由WAAM與表面軋制組合而成的混合金屬增材制造工藝示意圖。重點(diǎn)討論了金相組織的改變(晶粒尺寸的減小及其對(duì)殘余應(yīng)力的影響)。

Zhang等人(2013)通過(guò)聚焦于直接在沉積炬后面的滾輪的原位利用，為基于waam工藝的沉積層施加壓力提供了一種不同的策略。

在隨后的研究中，Colegrove等人(2017)揭示了表面軋制對(duì)機(jī)械性能(屈服強(qiáng)度、最終的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率)，這是由于將不良的柱狀組織(各向異性行為的主要貢獻(xiàn)者)改為精細(xì)的等軸組織。

金屬增材制造(MAM)與旨在改善沉積金屬性能的工藝的另一種集成類型是在基于waam的工藝的連續(xù)層上使用噴丸，以消除殘余應(yīng)力和最小化扭曲(Prinz和Weiss, 1993)。噴丸處理是用小的硬球反復(fù)撞擊各沉積層的表面，引起塑性變形和壓應(yīng)力，但與表面滾壓相反，沉積層的整體形狀變化不大。

Bamberg(2012)擴(kuò)展利用金屬HAM與噴丸加工提出的結(jié)合L-DED與其他變異的噴丸加工(圖11),如超聲波或激光沖擊錘擊,基于高頻振蕩的利用壓電傳感器或激光脈沖高功率激光器(圖11 b)。作者提出利用該方法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)增材葉片元件的選擇性區(qū)域進(jìn)行硬化。

圖11 由L-DED和(a)噴丸和(b)激光沖擊噴丸組合而成的混合金屬增材制造工藝示意圖。

近年來(lái)，帶噴丸強(qiáng)化的金屬高溫合金作為一種提高軍用、航空航天、汽車和生物醫(yī)學(xué)工業(yè)中應(yīng)用的預(yù)制部件性能的手段已顯著增長(zhǎng)(Sealy, 2018年)。

噴丸強(qiáng)化金屬加工的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于壓應(yīng)力對(duì)延遲疲勞裂紋萌生的影響，可以提高疲勞壽命。例如Uzan 等(2018)研究了噴丸強(qiáng)化對(duì)LPBF鋁合金試件疲勞抗力的影響，得出了噴丸強(qiáng)化對(duì)疲勞抗力和疲勞極限的積極影響。裂紋試樣的斷口形貌分析表明，噴丸處理后疲勞裂紋萌生部位比未噴丸處理的試樣更深。

Sokolov等人(2020)最近提出將MAM與熱軋相結(jié)合，作為L(zhǎng)-DED生產(chǎn)的鈦合金大型零件的熱機(jī)械后處理解決方案。作者公布的結(jié)果證實(shí)，在降低殘余孔隙度和誘導(dǎo)沉積材料的微觀結(jié)構(gòu)變化方面具有優(yōu)勢(shì)，有助于提高最終抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

Duarte等人(2020)最近提出，利用定制的WAAM焊槍將MAM與熱鍛結(jié)合起來(lái)，作為減少殘余孔隙、細(xì)化組織和改善沉積材料力學(xué)性能的替代解決方案。定制的焊槍配有放置在氣體噴嘴內(nèi)的錘頭，該錘頭由振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器激活，用于對(duì)沉積的材料在高溫下進(jìn)行局部原位塑性變形(圖12)。

圖12 在燃?xì)鈬娮靸?nèi)裝有錘子的定制火炬示意圖和主要電氣方案(Duarte等人，2020年)。

來(lái)源：Hybrid metal additive manufacturing: A state–of–the-art review，Advances inIndustrial and Manufacturing Engineering，doi.org/10.1016/j.aime.2021.100032
參考文獻(xiàn)：Applications of laser assisted metal rapid tooling process tomanufacture of molding & forming tools—state of the art，Int. J.Precis. Eng. Manuf., 12 (5) (2011), pp. 925-938, 10.1007/S12541-011-0125-5