新型電弧增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)沉積率突破10kg/h，晶粒減小，力學(xué)性能提升

來(lái)源： 增材制造碩博聯(lián)盟

定向能量沉積（DED）的電弧增材（Wire-arc）用于以高沉積速率去沉積大型金屬構(gòu)件。為了縮短整體制造時(shí)間，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和效益，需要更高的沉積速率。然而，傳統(tǒng)的氣體金屬�。℅MA）的電弧增材DED，其特點(diǎn)是高能量輸入，通常會(huì)導(dǎo)致在相對(duì)較高的沉積速率下，出現(xiàn)高度的重熔和再加熱問(wèn)題，從而降低工藝效率、損害機(jī)械性能。

針對(duì)這一問(wèn)題，英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)（克大）焊接與增材制造中心Stewart William教授及其團(tuán)隊(duì)在增材制造頂刊Additive Manufacturing上發(fā)表題目為A novel cold wire gas metal arc (CW-GMA) process for high productivity additive manufacturing的研究文章，提出了一種新型電弧增材DED工藝，結(jié)合GMA和外部冷絲，即冷絲氣體金屬�。–W-GMA），實(shí)現(xiàn)高沉積速率和低材料重熔。

論文研究了不同能量輸入水平下的最大沉積速率，最高沉積速率達(dá)到了14 kg/h。使用該工藝制造了一個(gè)重達(dá)280 kg的工業(yè)尺寸的構(gòu)件，沉積速率約10 kg/h，展示了該工藝在高生產(chǎn)應(yīng)用中的能力。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于添加冷絲，重熔現(xiàn)象顯著減少。研究還開(kāi)發(fā)了CW-GMA工藝的工作空間和幾何過(guò)程模型，用于選擇準(zhǔn)確參數(shù)、預(yù)測(cè)單道壁結(jié)構(gòu)的幾何形狀。而且，CW-GMA工藝中冷絲的添加降低了比能量密度，使晶粒尺寸和各向異性均減小，提高了機(jī)械性能，增強(qiáng)了強(qiáng)度并降低了各向異性。

圖1. 示意圖展示了基于冷絲氣體金屬弧（CW-GMA）的電弧增材（DED）系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖2. 示意圖展示了GMA火炬、冷絲和基板的配置

圖3. 電源校準(zhǔn) (a) 電弧電流隨硬絲送絲速率（HWFS）變化的關(guān)系，(b) 電弧電壓隨硬絲送絲速率（HWFS）變化的關(guān)系，(c) 輸出功率隨硬絲送絲速率（HWFS）變化的關(guān)系，以及 (d) 輸出功率隨電弧電流變化的關(guān)系

圖4. 示意圖展示 (a) 珠焊寬度、珠焊高度、珠焊橫截面積（A1）的定義，以及基板的重熔區(qū)域（A2）的定義；(b) 總壁寬度和有效壁寬度的定義

圖5. 示意圖展示 (a) 從兩個(gè)壁中提取用于拉伸測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)分析的樣品的位置，以及(b) 用于拉伸測(cè)試的樣品尺寸。注意，BD-建造方向，TD-橫向方向，ND-法線方向

圖6. (a) 構(gòu)件的幾何形狀，(b) 構(gòu)件的橫截面和沉積順序，(c) 構(gòu)件和沉積工具的設(shè)計(jì)，以及 (d) 構(gòu)件和工具設(shè)計(jì)的橫截面

圖7. 在相同的硬絲送絲速率（HWFS）為8 m/min但不同的冷絲送絲速率（CWFS）下，工藝穩(wěn)定性和珠焊外觀的比較：(a) 在CWFS為10 m/min時(shí)的沉積過(guò)程，(b) 在CWFS為12 m/min時(shí)的沉積過(guò)程，(c) CWFS為10 m/min時(shí)的珠焊外觀，以及(d) CWFS為12 m/min時(shí)的珠焊外觀，粉色箭頭表示移動(dòng)方向

圖8. (a) 隨著硬絲送絲速率（HWFS）變化而實(shí)現(xiàn)的最大冷絲送絲速率（CWFS），(b) 隨著HWFS變化而實(shí)現(xiàn)的最大沉積速率；(c) 在廣泛的電弧絲材DED過(guò)程中，對(duì)不同工藝條件下鋼材實(shí)現(xiàn)的最大沉積速率

圖9. 冷絲送絲速率（CWFS）對(duì)不同電弧電流水平下珠焊形狀的影響 (a) 珠焊寬度，以及 (b) 珠焊高度

圖10. (a) 在相同的電弧電流（301 A）下使用不同冷絲送絲速率（CWFS）獲得的珠焊橫截面，(b) 珠焊的稀釋度，以及 (c) 相應(yīng)珠焊的總?cè)廴诿娣e

圖11. 基于珠焊平板實(shí)驗(yàn)的CW-GMA工藝的工作空間 (a) 硬絲送絲速率（HWSF） vs 冷絲送絲速率（CWFS），以及(b) 焊接速度（TS）vs 冷絲送絲速率（CWFS）

圖12. 基于多層單道壁的CW-GMA工藝的工作空間 (a) 硬絲送絲速率（HWSF） vs 冷絲送絲速率（CWFS），以及(b) 焊接速度（TS）vs 冷絲送絲速率（CWFS）

圖13. CW-GMA基礎(chǔ)電弧絲材DED多層單道壁的幾何過(guò)程模型 (a) 有效壁寬度，(b) 層高，以及 (c) 表面波紋度

圖14. 標(biāo)準(zhǔn)GMA和CW-GMA工藝生產(chǎn)的樣品的拉伸性能 (a) 兩個(gè)工藝產(chǎn)生的兩種不同取向的四個(gè)典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及 (b) 每種條件下強(qiáng)度和延伸率的平均值。注意，GMA_H和GMA_V分別表示標(biāo)準(zhǔn)GMA工藝產(chǎn)生的水平和垂直取向的樣品，而CW-GMA_H和CW-GMA_V分別表示CW-GMA工藝產(chǎn)生的水平和垂直取向的樣品

圖15. 子鐵素體和重建的先驅(qū)奧氏體的EBSD反極圖方位圖，以及從BD-ND平面獲取的重建奧氏體相的反極圖和極圖 (a1-a4) GMA工藝樣品和 (b1-b4) CW-GMA工藝樣品；對(duì)比 (c) 重建奧氏體晶粒尺寸分布和 (d) GMA和CW-GMA加工樣品之間的縱橫比

圖片

圖16. 構(gòu)件的沉積過(guò)程：(a)、(b) 和 (c) 顯示了第一層的沉積；(d) 顯示了第1部分的沉積，(e) 顯示了第2部分的沉積，以及 (f) 顯示了構(gòu)件的最終外觀
論文關(guān)鍵結(jié)論如下：
1. CW-GMA的DED最大沉積速率為14 kg/h，這是所有單一電源的電弧增材DED工藝中最高的。利用該工藝成功制造了一個(gè)質(zhì)量為280 kg的工業(yè)尺寸構(gòu)件，其沉積速率接近10 kg/h，證明了使用該工藝建造具有高生產(chǎn)效率的大型工程結(jié)構(gòu)的可行性。

2. 與標(biāo)準(zhǔn)GMA工藝相比，在CW-GMA工藝中添加冷絲改變了珠焊的幾何形狀，并顯著減少了重熔和再加熱出現(xiàn)的次數(shù)。具體而言，由于熔化效率的提高，珠焊寬度先增加，然后由于冷絲吸收了熔池的能量，珠焊寬度趨于穩(wěn)定。由于基板或預(yù)先沉積層吸收的能量減少，隨著冷絲送絲速率（CWFS）的增加，重熔不斷減少。

3. 基于單層和多層沉積實(shí)現(xiàn)了CW-GMA工藝的工作空間。這可以用來(lái)指導(dǎo)工藝參數(shù)的選擇，以避免該工藝中的任何缺陷。此外，制造了多層單道壁的工藝模型，可用于預(yù)測(cè)沉積壁的幾何特征，包括TWW、EWW和LH。

4. 對(duì)CW-GMA的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了檢測(cè)，并與標(biāo)準(zhǔn)GMA工藝進(jìn)行了比較。由于添加冷絲，與標(biāo)準(zhǔn)GMA工藝相比，CW-GMA工藝中的比能量密度減小，導(dǎo)致更小且更各向同性的晶粒，從而使前者的拉伸強(qiáng)度更高，各向異性更小。