航空裝備電弧熔絲增材制造技術(shù)發(fā)展及路線規(guī)劃圖

來(lái)源：航空材料學(xué)報(bào)  

航空制造業(yè)作為高端技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè),一直代表著世界各國(guó)制造業(yè)的發(fā)展方向,是一個(gè)國(guó)家制造業(yè)實(shí)力和國(guó)防工業(yè)現(xiàn)代化水平的綜合體現(xiàn)[1]。航空航天高端裝備具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制備工序多、批量小等特點(diǎn)，隨著大飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、新一代運(yùn)載火箭等不斷發(fā)展，航空航天典型構(gòu)件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜化、大型化，新材料不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)鍛造、鍛造結(jié)合機(jī)械加工的制造方法越來(lái)越難以滿足上述制造需求，而增材制造技術(shù)（additive manufacturing，AM）能夠較好地解決此類問(wèn)題[2-5]。

增材制造技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代末，是一種新型、極具潛力的先進(jìn)制造技術(shù)。增材制造技術(shù)從零件的三維CAD模型出發(fā)，無(wú)需模具即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬構(gòu)件的材料-結(jié)構(gòu)一體化近凈成形，為航空裝備高性能構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造提供新的工藝技術(shù)途徑[6-8]。增材制造的能量源主要有激光、電子束和電弧，原料分為金屬材料和高分子材料，形式有粉末、液體及絲材。航空航天高端裝備高載荷、極端耐熱、超輕量化和高可靠性的特性決定了金屬材料增材制造將成為航空航天領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展方向。目前，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的金屬增材制造工藝主要有激光選區(qū)熔化技術(shù)（selective laser melting，SLM）[9]、激光熔化沉積技術(shù)（laser melting deposition，LMD）[10]、電子束選區(qū)熔化技術(shù)（electron beam melting，EBM）[11]、電子束定向能量沉積技術(shù)（electron beam directed energy deposition，EB-DED）[12]、電弧熔絲增材制造技術(shù)（wire arc additive manufacturing，WAAM）[13]。WAAM是一種金屬材料近凈成形制造技術(shù)，該技術(shù)被歐洲航天局視為一種低能耗、可持續(xù)的綠色環(huán)保制造技術(shù)；近年來(lái)，隨著增材制造技術(shù)向高效率、低成本的方向發(fā)展，WAAM越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外航空航天工業(yè)的重視[14]。

本文對(duì)電弧熔絲增材制造的定義、技術(shù)分類、成形系統(tǒng)及原理進(jìn)行論述，綜述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外航空航天領(lǐng)域電弧熔絲增材制造鋁合金、鈦合金的組織特性、冶金缺陷及質(zhì)量改善、典型構(gòu)件技術(shù)應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展，分析目前電弧熔絲增材制造技術(shù)在航空裝備的大型、中等復(fù)雜構(gòu)件制備方面所面臨的關(guān)鍵共性問(wèn)題，提出2035年WAAM成形技術(shù)路線規(guī)劃圖。

1.   電弧熔絲增材制造的定義、技術(shù)分類、成形系統(tǒng)及原理
1.1   定義及技術(shù)分類
電弧熔絲增材制造技術(shù)最早可以追溯到1925年，Ralph[15]首次提出利用電弧作為熱源，以金屬絲材為原料，將絲材熔化堆焊獲得金屬制品。目前，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外掀起了研究的熱潮，其理論及技術(shù)發(fā)展都已趨于成熟。

電弧熔絲增材制造技術(shù)是基于離散-堆積制造思想，通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件建立零件的實(shí)體模型，以電弧作為成形熱源將金屬絲材熔化，按設(shè)定的成形路徑堆積每一層片，采用逐層堆積的方式成形所需的三維實(shí)體零件[16-17]。電弧熔絲增材制造由傳統(tǒng)堆焊技術(shù)發(fā)展而來(lái)，具有設(shè)備及材料成本低，材料利用率高（接近100%），沉積效率高，成形零件無(wú)尺寸限制等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠快速實(shí)現(xiàn)大型、中等復(fù)雜航空構(gòu)件的低成本、高效制造，但高的熱輸入量及沉積速率導(dǎo)致成形構(gòu)件的表面粗糙度較大，需要后續(xù)機(jī)加工達(dá)到理想的工件狀態(tài)。

根據(jù)熱源及成形方式的不同，電弧熔絲增材制造技術(shù)分為熔化極氣體保護(hù)焊（gas metal arc welding，GMAW）增材制造技術(shù)[18]，鎢極惰性氣體保護(hù)焊（gas tungsten arc welding，GTAW）增材制造技術(shù)[19]及等離子弧焊（plasma arc welding，PAW）增材制造技術(shù)[20]，GMAW、GTAW及PAW的技術(shù)原理如圖1所示[21]。

圖  1  電弧熔絲增材制造技術(shù)原理圖[21]　 （a）GMAW；（b）GTAW；（c）PAW

基于GMAW的電弧熔絲增材制造具有沉積效率高（3~4 kg/h）[22]、制造成本低、送絲方向及電弧同軸一體化等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在熱量輸入大、成形精度低、表面質(zhì)量粗糙等缺點(diǎn)。為消除GMAW增材制造存在的熱量輸入大、成形精度低等問(wèn)題，F(xiàn)ronius公司發(fā)明了一種名為冷金屬過(guò)渡焊技術(shù)（cold metal transfer，CMT），CMT技術(shù)通過(guò)將熔滴過(guò)渡和送絲運(yùn)動(dòng)數(shù)字化協(xié)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)控方式下的短電弧和焊絲的換向送絲監(jiān)控，控制送絲機(jī)構(gòu)按照送絲控制系統(tǒng)的指令以70 Hz的頻率控制脈沖式的焊絲輸送同時(shí)調(diào)控電源輸出波形。當(dāng)熔滴與熔池發(fā)生短路時(shí)，熔滴在無(wú)電流的狀態(tài)下過(guò)渡。熔滴過(guò)渡時(shí)電弧熄滅，焊接電流幾乎降為0，從而大大降低焊接熱輸入量[23]。CMT具有獨(dú)特的熔滴過(guò)渡技術(shù)、焊接熱輸入量小、飛濺小、焊縫成形美觀，非常適合于鋁合金電弧熔絲增材制造。

基于GTAW的電弧熔絲增材制造具有焊縫成形美觀、飛濺少、成形性能好等優(yōu)點(diǎn)，但沉積效率較GMAW低，約1~2 kg/h，由于其熱源系統(tǒng)與送絲系統(tǒng)相互獨(dú)立，需采用旁路送絲方式，零件的沉積質(zhì)量與送絲方位有較強(qiáng)的相關(guān)性，因而在復(fù)雜零件制備方面受到限制�；�于PAW的電弧熔絲增材制造技術(shù)有利于控制及降低成形熱輸入，具有能量利用率高、單道熔寬大、焊縫成形美觀等優(yōu)點(diǎn)，但不足之處在于制造效率相對(duì)較低。

1.2   成形系統(tǒng)及原理
電弧熔絲增材制造是數(shù)字化連續(xù)堆焊成形過(guò)程，其典型成形硬件系統(tǒng)如圖2所示[24]，包括焊機(jī)及焊槍、送絲機(jī)構(gòu)、機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器及操作平臺(tái)。采用WAAM成形系統(tǒng)制備金屬零件涉及三個(gè)主要工序：路徑規(guī)劃、沉積過(guò)程及后處理。對(duì)于特定的CAD零件模型，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的3D切片及編程軟件通過(guò)分析CAD零件模型、原材料類型，自動(dòng)生成沉積過(guò)程所需的工藝參數(shù)及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，焊槍隨著機(jī)器人手臂按照既定的路徑逐層堆積形成零件，系統(tǒng)配備的各類傳感器同步監(jiān)測(cè)零件制備過(guò)程中的焊接參數(shù)、熔滴過(guò)渡形式、焊縫形貌及層間溫度等信息并及時(shí)反饋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行工藝優(yōu)化以避免潛在的工藝缺陷，從而獲得尺寸精度高、無(wú)缺陷的金屬零件。

圖  2  WAAM成形系統(tǒng)示意圖[24]

2.   面向電弧熔絲增材制造的高性能金屬材料
2.1   電弧熔絲增材制造鋁合金
鋁合金因其具有高比強(qiáng)度、比模量和良好的斷裂韌性、抗疲勞、耐腐蝕等性能，是航空航天領(lǐng)域重點(diǎn)的結(jié)構(gòu)材料。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)航空裝備常用的Al-Cu系、Al-Zn-Mg-Cu系、Al-Cu-Mg系、Al-Mg系、Al-Si-Mg系鋁合金的WAAM技術(shù)開(kāi)展了深入研究并取得了一定進(jìn)展。

（1）組織特性
電弧熔絲增材制造技術(shù)因熱源能量密度高、熔池尺寸小且移動(dòng)速度快、非均勻形核位置數(shù)量大等特點(diǎn)，具有顯著的快速非平衡凝固效應(yīng)，可以使晶粒細(xì)化，易于獲得細(xì)晶、微晶甚至納米晶組織，這與合金過(guò)冷度及冷卻速度密切相關(guān)[25]，但其熱輸入高又導(dǎo)致已沉積成形部分將受到后續(xù)移動(dòng)熱源的往復(fù)熱作用，使得成形過(guò)程中熱積累顯著，促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致成形構(gòu)件組織的差異。Wang等[26]采用CMT電弧熔絲增材制造2219鋁合金構(gòu)件，研究了WAAM增材過(guò)程中構(gòu)件的組織演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其組織呈現(xiàn)出明顯的非均質(zhì)帶特征，層間區(qū)域?yàn)榧?xì)小的等軸α-Al晶粒，而層內(nèi)區(qū)域?yàn)榇执蟮闹鶢瞀?Al晶粒。Dong等[27]采用GTAW電弧熔絲增材制造7055鋁合金單道多層結(jié)構(gòu)，研究了不同熱輸入對(duì)構(gòu)件組織的影響。結(jié)果表明：快速凝固的最上層區(qū)域組織為細(xì)小等軸晶，平均晶粒面積為544 μm2；中間區(qū)域組織中細(xì)小等軸晶與粗大柱狀晶交替排列，平均晶粒面積為2876 μm2，組織如圖3所示。鄭濤等[28]采用CMT電弧熔絲增材制造ZL114A鋁合金構(gòu)件，研究了WAAM成形沉積態(tài)和熱處理態(tài)構(gòu)件的微觀組織。結(jié)果表明：沉積態(tài)組織由樹枝狀晶的α-Al基體和顆粒狀共晶Si組成，并且相鄰兩道焊縫的重疊區(qū)域形成粗晶區(qū)；相較于傳統(tǒng)金屬型鑄造，沉積態(tài)晶粒更加細(xì)小，共晶Si相細(xì)小均勻分布；經(jīng)T6熱處理后，樹枝狀晶消失，共晶Si相發(fā)生球化，呈細(xì)小彌散狀態(tài)分布。

圖  3  WAAM增材制造7055鋁合金顯微組織[27] 　（a）最上層區(qū)域；（b）中間區(qū)域

（2）冶金缺陷及質(zhì)量改善

如何有效控制鋁合金WAAM構(gòu)件的內(nèi)部氣孔缺陷是鋁合金WAAM增材制造技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，氣孔缺陷嚴(yán)重影響構(gòu)件的力學(xué)性能，Mayer等[29]研究表明，直徑大于50 μm的氣孔是鋁合金構(gòu)件的裂紋源之一。因此，有效控制WAAM增材制造鋁合金構(gòu)件內(nèi)部氣孔缺陷對(duì)提高鋁合金構(gòu)件質(zhì)量具有重要意義。Cong等[30]采用CMT電弧熔絲增材制造2319鋁合金構(gòu)件，分析了CMT工作模式、純氬保護(hù)氣體流量對(duì)WAAM試樣內(nèi)部氣孔的影響規(guī)律，結(jié)果表明：在提高純氬保護(hù)氣流量條件下，CMT-PADV工藝因其低熱輸入及電弧對(duì)2319焊絲表面氧化膜高效清理作用而有利于改善2319成形質(zhì)量。Gu等[31]探究了不同載荷下（15 kN、30 kN和45 kN）的層間軋制對(duì)WAAM增材2319鋁合金顯微組織及氣孔缺陷的影響，發(fā)現(xiàn)隨著軋制載荷的增加，沉積態(tài)試樣內(nèi)部氣孔被壓扁且數(shù)量逐漸減少，當(dāng)軋制載荷為45 kN時(shí)，氣孔缺陷消失。但層間軋制工藝的使用具有一定的局限性，僅適用于簡(jiǎn)單的直壁構(gòu)件，不適用曲面或更加復(fù)雜的不規(guī)則構(gòu)件制備。

（3）典型構(gòu)件的技術(shù)應(yīng)用

航空航天裝備中鋁合金構(gòu)件正逐漸趨向整體化、大型化及復(fù)雜化，而WAAM技術(shù)因其低成本、高沉積效率、高度柔性及成形尺寸無(wú)限制的技術(shù)特點(diǎn)成為航空航天裝備中大型、中等復(fù)雜鋁合金構(gòu)件整體成形的技術(shù)首選�？颂m菲爾德大學(xué)Williams Stewart課題團(tuán)隊(duì)最先開(kāi)展了鋁合金構(gòu)件WAAM技術(shù)應(yīng)用研究，采用CMT電弧熔絲增材制造技術(shù)以1.1 kg/h的沉積效率制備長(zhǎng)度為2.5 m的飛機(jī)用鋁合金翼肋板（圖4（a）），將單個(gè)零件的投料產(chǎn)出比由37降至12，使得每個(gè)零件節(jié)省約500 kg的原材料[32]。美國(guó)Relativety Space公司采用激光+等離子為復(fù)合熱源的WAAM技術(shù)制備火箭用鋁合金燃料貯箱（圖4（b））并通過(guò)了各項(xiàng)性能考核[33]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)、首都航天機(jī)械有限公司、東北大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)針對(duì)航空航天領(lǐng)域的鋁合金支座、艙段件、框梁、網(wǎng)格等典型結(jié)構(gòu)分別開(kāi)展了WAAM技術(shù)應(yīng)用試制，其中WAAM增材制造艙段件（圖4（c））取得了關(guān)鍵技術(shù)突破并成功應(yīng)用于航天裝備[34]。

圖  4  WAAM成形鋁合金構(gòu)件　 （a）鋁合金翼肋版[32]；（b）燃料貯箱[33]；（c）艙段件[34]

2.2   電弧熔絲增材制造鈦合金
鈦合金具有比強(qiáng)度高、密度低、耐高溫及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，成為飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)減重、提高推重比和提高燃油率的關(guān)鍵材料[35]。相比于鋁合金，鈦合金由于熱加工窗口窄、熱加工塑性差和變形抗力大等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)加工工藝制備航空航天裝備中肋腹板大型結(jié)構(gòu)件（梁、框、滑軌等）存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、材料利用率低、加工成本高等諸多問(wèn)題，對(duì)近凈成形的需求更加迫切。因此，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)鈦合金WAAM成形技術(shù)研究較多。

（1）組織特性

在鈦合金WAAM成形中，由于逐層堆積過(guò)程鈦合金構(gòu)件經(jīng)歷多次熱循環(huán)，凝固過(guò)程金屬過(guò)冷度高、溫度變化大、高溫β相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌�形態(tài)的α相，包括馬氏體α′、馬氏體α＂、針狀α、晶界α和網(wǎng)籃組織等[36]。Baufeld等[37]采用GTAW電弧熔絲增材制造Ti-6Al-4V鈦合金單道薄壁件，研究了WAAM成形過(guò)程中熱輸入對(duì)顯微組織的影響。結(jié)果表明：試樣宏觀組織為外延生長(zhǎng)的粗大β柱狀晶并沿著最大溫度梯度方向生長(zhǎng)；此外，試樣的頂部和底部組織雖均為魏氏組織，但形貌有所不同，頂部區(qū)域由于冷卻速度快，組織為細(xì)小的α集束，而底部區(qū)域在多次的熱循環(huán)作用下，組織為粗大的片狀α，如圖5所示。Lin等[38]采用PAW電弧熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金薄壁墻，發(fā)現(xiàn)類似的組織演變規(guī)律，即沿著試樣沉積方向，從底部到頂部區(qū)域的組織分別為針狀馬氏體α′相、魏氏組織及網(wǎng)籃組織。李長(zhǎng)富等[39]采用CMT電弧熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金試樣，分析了其沉積態(tài)顯微組織演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)鈦合金宏觀組織均為外延生長(zhǎng)，且貫穿多個(gè)沉積層的粗大β柱狀晶，成形件上部顯微組織為典型的網(wǎng)籃組織，中部和底部由于多個(gè)熱循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生的熱積累效應(yīng)而形成魏氏組織。

圖  5  WAAM成形Ti-6Al-4V合金的顯微組織[37]　 （a）橫截面；（b）頂部區(qū)域；（c）底部區(qū)域

（2）冶金缺陷及質(zhì)量改善

相比于鋁合金，鈦合金WAAM成形缺陷相對(duì)容易控制，主要問(wèn)題在于成形時(shí)極易獲得與增材制造方向一致的宏觀粗大的β柱狀晶組織，導(dǎo)致成形構(gòu)件的力學(xué)性能具有明顯的各向異性，無(wú)法滿足成形構(gòu)件的技術(shù)指標(biāo)要求。因此，需要對(duì)WAAM成形鈦合金構(gòu)件進(jìn)行組織調(diào)控以提升其性能。

通過(guò)優(yōu)化熱處理工藝，能夠顯著降低焊后殘余應(yīng)力，提高合金組織、性能的均勻性。Gou等[40]研究了WAAM成形鈦合金試樣沉積態(tài)和熱處理態(tài)的微觀組織及力學(xué)性能。結(jié)果表明：經(jīng)900 ℃保溫4 h、爐冷和1200 ℃保溫2 h、爐冷，沉積態(tài)中針狀馬氏體α′相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?β相；相較于沉積態(tài)，熱處理態(tài)試樣的伸長(zhǎng)率提高20.16%，但抗拉強(qiáng)度降低34.64%。何智等[41]在PAW電弧熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金過(guò)程中引入超聲沖擊，實(shí)現(xiàn)了粗大柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變，研究發(fā)現(xiàn)了未經(jīng)超聲處理的試樣中存在粗大的柱狀晶組織；而經(jīng)超聲沖擊處理的試樣宏觀組織中未見(jiàn)柱狀晶的存在，取而代之的為細(xì)小的等軸晶。

通過(guò)熱機(jī)械加工方法雖然能夠優(yōu)化顯微組織，提高力學(xué)性能，但制備過(guò)程繁瑣，制造成本升高。在WAAM增材過(guò)程中引入合金元素，實(shí)現(xiàn)冶金組織的原位調(diào)控正成為新的研究熱點(diǎn)。Bermingham等[42] 采用GTAW電弧熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金試樣，在Ti-6Al-4V合金焊絲表面涂抹B元素熔敷層，研究不同B含量對(duì)Ti-6Al-4V合金試樣的微觀組織及性能的影響。結(jié)果表明：B元素能細(xì)化粗大的β柱狀晶并誘導(dǎo)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，有效消除β晶界及α集束，細(xì)小α等軸晶粒增多；微量B元素的添加能顯著降低其各向異性，使其壓縮塑性提升約40%。

（3）典型構(gòu)件的技術(shù)應(yīng)用

近些年，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)正在努力實(shí)現(xiàn)WAAM技術(shù)應(yīng)用于制備航空裝備涉及的各類鈦合金結(jié)構(gòu)件，英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)率先與英國(guó)宇航系統(tǒng)公司、洛克希德˙馬丁公司和龐巴迪公司開(kāi)展了廣泛的合作，成功制造出長(zhǎng)度1.2 m的Ti-6Al-4V合金飛機(jī)翼梁、重達(dá)24 kg的起落架支撐外翼肋及其他復(fù)雜的零件 [43]。此外，其孵化的WAAM 3D公司采用WAAM技術(shù)已成功制造出全尺寸原型的Ti-6Al-4V合金壓力容器并在航天領(lǐng)域獲得應(yīng)用。挪威Norsk Titanium是國(guó)際上較早從事WAAM裝備商業(yè)化、雙等離子WAAM技術(shù)工藝開(kāi)發(fā)及應(yīng)用的公司。該公司開(kāi)發(fā)的第Ⅳ代WAAM裝備的最大成形尺寸為0.9 m，最大沉積效率達(dá)到10 kg/h，使用該設(shè)備成形的鈦合金構(gòu)件的力學(xué)性能達(dá)到鍛件水平。目前，該公司的WAAM成形鈦合金技術(shù)已獲得了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的TRL 8級(jí)認(rèn)證并將7件WAAM成形鈦合金零部件應(yīng)用于波音787客機(jī)進(jìn)行考核驗(yàn)證。

3.   航空裝備WAAM成形關(guān)鍵共性技術(shù)及路線規(guī)劃圖
3.1   航空裝備WAAM成形關(guān)鍵共性技術(shù)
（1）WAAM用高品質(zhì)絲材制備技術(shù)

WAAM成形所需原材料絲材的直徑受送絲機(jī)構(gòu)的導(dǎo)絲嘴口徑限制，通常有ϕ1.0 mm、ϕ1.2 mm、ϕ1.6 mm三種規(guī)格。WAAM技術(shù)制備航空航天領(lǐng)域用大型構(gòu)件需要使用同牌號(hào)的原材料絲材以確保構(gòu)件的性能，現(xiàn)階段航空裝備中適用于WAAM技術(shù)成形的目標(biāo)零件所用材料為難變形材料，如ZL114A鋁合金、TiAl金屬間化合物[44]、A-100超高強(qiáng)度鋼等均存在變形抗力大、加工硬化率高、伸長(zhǎng)率低及室溫難以變形等問(wèn)題，采用常規(guī)加工方法減徑制備出直徑ϕ0.8~1.6 mm的絲材具有較大的技術(shù)難度，如何實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、細(xì)規(guī)格及滿足自動(dòng)送絲系統(tǒng)使用要求的絲材制備是WAAM技術(shù)制備航空裝備高性能零件的前提。

（2）WAAM技術(shù)專用絲材的成分設(shè)計(jì)及新材料開(kāi)發(fā)

WAAM增材過(guò)程中熱源產(chǎn)生的溫度非常高，如TIG電弧最高溫度達(dá)到8000 K，而PAW電弧最高溫度則達(dá)到24000 K[45]。原材料絲材中的低沸點(diǎn)元素在高溫作用下發(fā)生揮發(fā)，造成元素?zé)龘p，導(dǎo)致成形構(gòu)件的低沸點(diǎn)元素偏低、化學(xué)成分不合格，從而嚴(yán)重影響構(gòu)件的各項(xiàng)性能，嚴(yán)重時(shí)造成構(gòu)件報(bào)廢。因此，為獲得高質(zhì)量的WAAM增材構(gòu)件，需對(duì)原材料絲材進(jìn)行成分設(shè)計(jì)及優(yōu)化，開(kāi)發(fā)出適用于WAAM技術(shù)專用的直徑ϕ1.2~1.6 mm的絲材。中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院3D打印研究與工程技術(shù)中心針對(duì)航空裝備中常用Al-Mg系、Al-Si系鋁合金及TC11合金進(jìn)行成分設(shè)計(jì)、優(yōu)化，開(kāi)發(fā)出WAAM技術(shù)專用Al-Mg-Sc系、Al-Si-Sc-Zr系鋁合金絲材和高Al、O元素含量的TC11合金絲材。

（3）針對(duì)WAAM技術(shù)的路徑規(guī)劃軟件開(kāi)發(fā)

電弧熔絲增材制造技術(shù)雖然具有其獨(dú)特的優(yōu)越性，但在實(shí)際生產(chǎn)中存在兩個(gè)問(wèn)題[46]：弧坑塌陷導(dǎo)致的形狀誤差和過(guò)高的表面粗糙度。解決以上問(wèn)題的主要方法則是依賴于路徑規(guī)劃方式的優(yōu)化，路徑規(guī)劃方式的不同會(huì)對(duì)零件的幾何形狀精度、表面焊接質(zhì)量、內(nèi)部的顯微組織和成形效率等造成影響[47]�，F(xiàn)有的增材制造模型分層切片方法主要有光柵掃描式、輪廓偏移式及分型線路徑填充方式，上述路徑規(guī)劃方式均是基于單一路徑規(guī)劃方式的分析，但由于WAAM成形實(shí)際零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，單一的路徑規(guī)劃方式往往不能起到很好的效果，故開(kāi)發(fā)WAAM技術(shù)專用的路徑規(guī)劃軟件成為新的研究重點(diǎn)。Ding等[48]針對(duì)WAAM成形大尺寸、復(fù)雜形狀的零件，提出了一種自動(dòng)生成最優(yōu)路徑的算法。該算法首先基于分而治之的策略將二維幾何圖形分解成一組凸面多邊形，然后，針對(duì)每個(gè)凸面多邊形，識(shí)別出最優(yōu)的掃描方向，并結(jié)合鋸齒和輪廓模式策略生成連續(xù)的掃描路徑。最后，所有單獨(dú)的子路徑連接起來(lái)形成一條閉合曲線。該算法自動(dòng)生成的掃描路徑不僅滿足了WAAM的設(shè)計(jì)要求，還能獲得表面精度更高的成形構(gòu)件。黃無(wú)云[49]開(kāi)展WAAM增材技術(shù)的路徑規(guī)劃GUI設(shè)計(jì)軟件研究，設(shè)計(jì)了一款能夠?qū)⒐に噮��?shù)與模型設(shè)計(jì)相結(jié)合的路徑規(guī)劃軟件，滿足WAAM技術(shù)的多元化設(shè)計(jì)需求。

（4）WAAM成形過(guò)程中在線監(jiān)控與反饋控制技術(shù)

研究表明，WAAM成形過(guò)程中氣孔、開(kāi)裂、變形及未熔合等冶金缺陷嚴(yán)重影響構(gòu)件的成形質(zhì)量，冶金缺陷的產(chǎn)生與熔池形態(tài)不穩(wěn)定和溫度不均勻分布密切相關(guān)。因此，采用視覺(jué)傳感、紅外測(cè)溫傳感、電參數(shù)傳感等對(duì)溫度、熔池形狀以及電弧弧長(zhǎng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)一步設(shè)計(jì)調(diào)控策略，及時(shí)調(diào)控成形工藝與過(guò)程是現(xiàn)階段提高制造精度、確保成形件質(zhì)量的重要手段[50]。Wu等[51]分別采用熱電偶和紅外高溫計(jì)對(duì)GTAW電弧熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金過(guò)程的基板與層間溫度進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明：隨著沉積層數(shù)的增加，基板溫度和層間溫度存在一定的差異，基板溫度快速升高至一定溫度后趨于平緩，而層間溫度則會(huì)持續(xù)增加對(duì)材料成形的穩(wěn)定性造成影響。基于層間溫度的變化，分析熱積累對(duì)成形時(shí)電弧形狀和熔滴過(guò)渡行為的影響，為準(zhǔn)確使用層間溫度對(duì)WAAM成形工藝優(yōu)化和控制提供了一定的參考價(jià)值。呂飛閱等[52]采用高速攝像儀觀察了電弧熔絲增材制造過(guò)程中電弧形態(tài)及熔滴過(guò)渡行為，分析了在不同工藝參數(shù)下熔滴過(guò)渡頻率及熔滴尺寸變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)電弧寬度與洛倫茲力決定熔滴在電弧放電過(guò)程中的受力大小，進(jìn)而決定熔滴尺寸及其過(guò)渡頻率。Ouyang等[53]設(shè)計(jì)了基于TIG電弧熔絲增材制造系統(tǒng)的弧長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用CCD視覺(jué)傳感器監(jiān)控電弧長(zhǎng)度，通過(guò)調(diào)整Z軸的高度實(shí)現(xiàn)弧長(zhǎng)控制并在沉積過(guò)程中調(diào)節(jié)電弧電流。

3.2   航空裝備WAAM成形技術(shù)發(fā)展路線規(guī)劃圖
圖6按照技術(shù)成熟度提出了現(xiàn)在至2035年航空裝備WAAM成形技術(shù)發(fā)展路線規(guī)劃圖。

圖  6  航空裝備WAAM成形技術(shù)發(fā)展路線規(guī)劃圖

4.   結(jié)束語(yǔ)
WAAM是一種基于傳統(tǒng)的電弧熔絲堆焊的增材制造技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與操作平臺(tái)的協(xié)同調(diào)控，具有沉積效率高、材料利用率高、制備周期短、低成本、柔性高效等特點(diǎn)，在航空裝備制造上顯示了巨大發(fā)展?jié)摿�和重要的�?yīng)用前景。相較于目前發(fā)展較快的激光選區(qū)熔化技術(shù)，WAAM技術(shù)在航空裝備上實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用還有一定距離，需要國(guó)內(nèi)外不同學(xué)科背景的科研團(tuán)隊(duì)共同研究，突破現(xiàn)階段WAAM技術(shù)面臨的專用材料創(chuàng)新不足、路徑規(guī)劃軟件單一、成形過(guò)程在線監(jiān)控及反饋控制不智能等技術(shù)瓶頸，建立WAAM成形大型、中等復(fù)雜金屬構(gòu)件的尺寸精度-微觀組織-力學(xué)性能-質(zhì)量檢測(cè)與分析的全流程工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件精準(zhǔn)“控形/控性”。隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，專用材料的開(kāi)發(fā)、智能裝備、工藝及軟件的制造能力的提升，WAAM技術(shù)有望在航空裝備大型、中等復(fù)雜鋁合金、鈦合金結(jié)構(gòu)件的制造中得到快速和廣泛的應(yīng)用。