西安交通大學(xué)：一種新型熔滴+電弧增材制造方法實(shí)現(xiàn)鋁合金高質(zhì)量和高效率制造

來源：高功率及超快激光先進(jìn)制造實(shí)驗(yàn)室

定向能量沉積技術(shù)（DED）具有沉積效率高、成本低和原料范圍廣等特點(diǎn)，在中大型構(gòu)件增材制造領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而研究表明，現(xiàn)有DED中材料添加量和熱輸入之間存在嚴(yán)格匹配關(guān)系，導(dǎo)致高沉積速率下構(gòu)件質(zhì)量難以得到保障。因此，如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率制造是DED面臨的重要難題之一。

近日，西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魏正英教授團(tuán)隊(duì)在比較了電弧增材制造、激光增材制造和激光-電弧復(fù)合增材制造等技術(shù)后，提出一種新型熔滴+電弧增材制造方法（DAAM），打破傳統(tǒng)DED增材制造中絲材和熱源間的強(qiáng)耦合，一定程度上實(shí)現(xiàn)了鋁合金構(gòu)件的高質(zhì)量和高效率制造。相關(guān)研究成果發(fā)表在增材制造領(lǐng)域頂刊《Additive Manufacturing》上。

研究?jī)?nèi)容
1、實(shí)驗(yàn)裝置：在DAAM系統(tǒng)中，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種特殊的熔滴生成裝置（DGS）來取代傳統(tǒng)的送絲系統(tǒng)或送粉系統(tǒng)，使材料添加和能量輸入過程成為兩個(gè)獨(dú)立的部分。兩部分分別以感應(yīng)加熱裝置和變極性鎢極氣體保護(hù)電�。╒P-GTA）作為熱源。試驗(yàn)過程中，DGS產(chǎn)生的熔滴垂直滴入VP-GTA在基底產(chǎn)生的熔池中，通過控制基底運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維構(gòu)件制造。試驗(yàn)材料方面，選用2219鋁合金作為沉積材料，SUS 304不銹鋼作為基板。為了避免熔滴和熔池氧化，整個(gè)加工過程在惰性保護(hù)氣氛中進(jìn)行。

圖1 DAAM的工藝原理及實(shí)驗(yàn)裝置。

2、高速攝像機(jī)觀察：結(jié)果顯示小尺寸、高頻率熔滴的動(dòng)能較小、對(duì)熔池的沖擊作用較弱，沉積過程更為穩(wěn)定，有利于獲得表面光滑且不存在明顯缺陷的沉積層。此外，在制造過程中，熔池的散熱速度往往會(huì)隨著沉積高度的增加呈現(xiàn)出先降低而后保持不變的趨勢(shì)，導(dǎo)致沉積層出現(xiàn)尺寸不均一現(xiàn)象。針對(duì)該問題，文章提出一種全新的熱輸入策略，通過不斷修正電弧熱輸入，成功制備出具有良好表面形貌和尺寸精度的薄壁構(gòu)件。

圖2  Rayleigh模式下的沉積工藝。

3、微觀結(jié)構(gòu)分布和晶粒形貌：由橫截面結(jié)果可以看出，此時(shí)主要為等軸狀晶粒。底部區(qū)域晶粒尺寸細(xì)小，中間區(qū)域和頂部區(qū)域的晶粒尺寸較為粗大。在縱截面中，底部區(qū)域同樣為較小尺寸的等軸晶粒，沉積層中絕大部分為柱狀晶粒，表現(xiàn)出較強(qiáng)的取向性。中間層和頂層的層間存在少量細(xì)小等軸晶。由EBSD結(jié)果可以看出，隨著沉積高度的增加，晶粒尺寸逐漸增大。

圖3 DAAM薄壁構(gòu)件的晶粒演化過程。

4、不同熱處理工藝條件下構(gòu)件的拉伸性能和斷裂特性：考慮到增材制造樣品存在方向異性，每組樣品分別在水平和垂直兩個(gè)方向進(jìn)行取樣和測(cè)試。結(jié)果顯示，T6熱處理對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的強(qiáng)化作用更最為顯著。T4熱處理樣品在伸長(zhǎng)率方面要優(yōu)于T6熱處理。相應(yīng)的斷口分析結(jié)果，層間區(qū)域和內(nèi)層區(qū)域表現(xiàn)出不同的斷裂特征，層間區(qū)域?yàn)轫g性斷裂，內(nèi)層區(qū)域?yàn)轫g脆混合斷裂。對(duì)比不同取樣方向上的拉伸斷口形貌，發(fā)現(xiàn)垂直方向表現(xiàn)出與水平方向不同的斷裂特征，斷口中出現(xiàn)較多凹坑和孔隙。總的來說，對(duì)于DAAM增材制造薄壁構(gòu)件，顯微組織和微觀缺陷的共同影響斷裂方式。

圖4 不同熱處理工藝下DAAM薄壁構(gòu)件拉伸性能。

圖5 拉伸斷口形貌（a）水平方向?qū)娱g區(qū)域，（b）水平方向內(nèi)層區(qū)域，（c）垂直方向（T6熱處理）。

5、與其他研究者的工作的對(duì)比：對(duì)比參數(shù)包括各項(xiàng)拉伸性能指標(biāo)和沉積速率。總的來說，在拉伸性能方面，采用文中方法制造的樣品優(yōu)于鍛態(tài)、GTA-AM以及激光GTA-AM樣品，與目前業(yè)內(nèi)最佳的CMT冷金屬過渡工藝性能基本處于同一水平。沉積速率方面，得益于DAAM特殊的材料添加和能量輸入方式，其沉積效率為現(xiàn)存所有方法中最高。

圖6 不同方法增材制造2219鋁合金的拉伸性能和沉積速率。

研究結(jié)論
文章提出一種新型熔滴+電弧增材制造方法（DAAM），創(chuàng)新性地將材料添加過程和能量輸入過程分為兩個(gè)獨(dú)立的部分，打破傳統(tǒng)增材制造中絲材和熱源間的強(qiáng)耦合，一定程度上實(shí)現(xiàn)了鋁合金部件的高質(zhì)量和高效率制造。此外，研究工作進(jìn)一步證實(shí)了增材制造熱輸入策略和層間厚度對(duì)最終構(gòu)件表面形貌和晶粒尺寸具有重要影響。上述研究成果對(duì)于開發(fā)基于電弧或激光的高質(zhì)量、高效率增材制造新工藝和新技術(shù)具有一定的借鑒意義。