高強鋁合金電弧增材制造的研究進展

作者：王樹文1, 陳樹君1, 趙騏躍1, 袁濤1, 蔣曉青1, 趙鵬經(jīng)1, 山河1, 丁梧桐2
1. 北京工業(yè)大學 汽車結(jié)構(gòu)部件先進制造技術(shù)教育部工程研究中心，北京 100124
2. 中國科學院金屬研究所，沈陽 110016

高強鋁合金因具有高強度、低密度、優(yōu)異的延展性和抗腐蝕性，成為了航空航天和汽車應用零件最常用的金屬材料之一。電弧增材制造技術(shù)具有快速原位成形制造復雜結(jié)構(gòu)零部件的能力，非常適用于中型或大型高強鋁合金鋁部件的制造。本文綜合分析了高強鋁合金電弧增材制造工藝和設備研發(fā)現(xiàn)狀、高強鋁合金電弧增材的固有屬性和缺陷以及主要的性能優(yōu)化手段，討論了組織和性能的固有特征和復合增材制造技術(shù)對組織和性能的影響。針對電弧增材制造高強鋁合金不可忽略的本質(zhì)冶金缺陷、特征性能需求和多種優(yōu)化工藝的優(yōu)劣等問題，提出了電弧增材制造高強鋁合金綜合評價體系、成分設計和絲材開發(fā)、專用熱處理制度和復合增材制造技術(shù)的協(xié)同性等發(fā)展方向，以期為電弧增材制造高強鋁合金的性能提升和應用推廣提供重要參考。

在工業(yè)革命快速發(fā)展的新時代，新型工程材料的需求也在不斷的增加，因此需要能夠引領(lǐng)現(xiàn)代世界走向更新的、更快的、更強的和更節(jié)能的新制造工藝時代［1］。絲材電弧增材制造（WAAM）結(jié)合了傳統(tǒng)焊接技術(shù)和增材制造，使用了電弧作為熱源，以填充焊絲作為原料進行逐層沉積，直到創(chuàng)建出所需的3D形狀結(jié)構(gòu)件。WAAM相比于減材制造和其他增材制造工藝，雖然出現(xiàn)時間相對較短，但加工材料消耗更少［2］，具有沉積效率高、設備成本低、材料利用率高、能夠制造大尺寸構(gòu)件、設計自由度高、材料可用性廣泛、混合制造和對環(huán)境污染低等優(yōu)勢［3］，越來越受到眾多工業(yè)制造領(lǐng)域的關(guān)注，在金屬智能制造領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景［4］。

鋁合金因其高強度、低質(zhì)量密度、優(yōu)異的延展性和高耐腐蝕性而受到廣泛的應用［5］，同時，又因其高導電率、高導熱率和良好的可制造性，使得鋁合金成為最具有前途的航空航天和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域所用材料。高強鋁合金一般指可熱處理強化的含銅元素的2×××、含鋅元素的7×××鋁合金，主要應用在需要高強、高韌、耐腐蝕、高耐損傷要求的航空航天領(lǐng)域。隨著飛機設計思路的不斷創(chuàng)新，對先進飛機等構(gòu)件制造提出了越來越高的要求。鋁合金WAAM能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)的大型復雜精密構(gòu)件的直接制造成形［6］，能夠生產(chǎn)非常接近最終形狀的預成型件、無需復雜的工具、模具和沖模，因而對高強鋁合金的增材技術(shù)的需求十分強烈，迫切需要直接服務于裝備制造業(yè)的新成形技術(shù)［7］。

目前為止，雖然對WAAM已經(jīng)進行了大量的研究，工藝和理論發(fā)展逐漸成熟，并且已經(jīng)制造出能媲美鑄造件的大型結(jié)構(gòu)件［2］。但目前仍然處于起步階段，存在著許多需要解決的問題，包括熱源和設備的研發(fā)、高強鋁合金微合金化設計、工藝開發(fā)、缺陷消除方法等。本文對WAAM高強鋁合金的熱源和設備、固有的組織和性能屬性、固有的冶金缺陷和性能優(yōu)化手段進行了討論，重點討論WAAM高強鋁合金的凝固特性、強化機制、缺陷的產(chǎn)生原因和優(yōu)化手段的主要原理，并從性能綜合評價體系、成分設計與絲材開發(fā)、專用熱處理制度和復合增材制造技術(shù)的協(xié)同性等發(fā)展方向進行了展望，以期提高電弧增材構(gòu)件的形性和擴大高強鋁合金的應用范圍，加快高強鋁合金的研究進程。

1 高強鋁合金WAAM系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
迄今為止，研究人員逐步探索了多種基于增材制造的鋁合金成形技術(shù)，主要包括電子束熔化（EBM）、激光選區(qū)熔化（SLM）、電子束自由成形制造技術(shù)（EBF）和直接能量沉積（DED）等［8］。從設備成本、零部件制造尺寸、制造效率和質(zhì)量控制等方面出發(fā)，WAAM作為逐層沉積3D組件的大型鋁合金零件制造關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)被工業(yè)界廣泛接受［9］�，F(xiàn)在普遍認為WAAM工藝起源于1925年Baker提出使用電弧，以填充焊絲作為原料來沉積金屬裝飾品［10］。隨著高質(zhì)量計算機輔助設計和制造軟件（CAD/CAM）的出現(xiàn)使得增材制造的廣泛應用成為可能，特別是WAAM，成為了一個重要發(fā)展的領(lǐng)域。相關(guān)學者評估了WAAM與其他增材工藝的相對優(yōu)勢［11-12］，如圖1所示。可以看出，WAAM的關(guān)鍵優(yōu)勢在于交貨周期、材料浪費和改進功能方面，還能夠針對小批量零件的工具和多材料結(jié)構(gòu)的設計實現(xiàn)定制化服務。

圖1

WAAM系統(tǒng)裝置主要包括熱源、送絲機、輔助保護氣體、加熱元件和傳感器等。根據(jù)熱源性質(zhì)的不同，一般來說，WAAM工藝通常分為三種類型：熔化極氣體保護焊（GMAW）［13］、非熔化極鎢極氣體保護焊（GTAW）［14-15］和等離子弧焊（PAW）［16］，制造工藝原理如圖2所示。特定類型的WAAM技術(shù)表現(xiàn)出特定的特征，GMAW和GTAW的能源效率可以超過90%［17］。GMAW的沉積速率比GTAW和PAW高2~3倍［3］，然而，GMAW的穩(wěn)定性較差，由于電流直接作用于絲材進行熔化，會產(chǎn)生更多的焊接煙霧和飛濺，尤其熔滴飛濺最為嚴重�？梢�，WAAM工藝的選擇會直接影響目標部件的加工條件和生產(chǎn)率。

圖2

GMAW利用電弧將絲材直接熔化實現(xiàn)沉積成形，可分為金屬惰性氣體焊接（MIG）和冷金屬過渡（CMT）［18］。隨著CMT增材技術(shù)的研發(fā)，眾多學者認為CMT是最合適的增材制造技術(shù)［19］，因為CMT具有更高的冷卻速率，一定程度上避免了大的飛濺和氣孔問題。CMT技術(shù)集成了四個過程，即起弧-填充熔池和滅弧-短路回抽-循環(huán)往復［20］，如圖2（b）所示，利用冷熱交替的方式避免熔池中熱量的累積。相關(guān)學者認為CMT是一種低成本的熔絲增材方式，因為焊絲是在非反應的惰性氣體中進入熔池的，能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸的高精度控制。GTAW是WAAM制造工藝中要求最高的技術(shù)之一［21］，焊接效率高達83%［22］。GTAW使用鎢極尖端熔化焊絲［23］，在一定程度上減少了飛濺的問題，但因為焊槍與送絲相互獨立，送絲方向和焊槍移動方向需要完美的匹配，因此在制造復雜結(jié)構(gòu)件時難度較大。PAW于2006年進入增材制造領(lǐng)域，首先用于制造不銹鋼［24］。PAW以等離子電弧為熱源，主要由鎢極和惰性氣體組成，送絲機在焊槍下部，焊絲熔化并沉積在基體上，重復該過程實現(xiàn)增材。

2 高強鋁合金WAAM的屬性和缺陷

2.1 組織和性能固有性質(zhì)

2.1.1 組織的固有特征

高強鋁合金在WAAM工藝的成形過程中，由于逐層沉積熱輸入引起不同于其他成形方法和其他系鋁合金，且始終無法完全消除的屬性，在本文中稱為“固有特性/屬性”。WAAM以層間堆焊的方式進行沉積，因此層間結(jié)合成為了組織主要特征和重點強化區(qū)域。不同的工藝和材料展現(xiàn)出不同的層間特征［25-27］。一般來說，在沒有額外能量場等因素的影響情況下，對于WAAM構(gòu)件的每個單獨層，存在熔池區(qū)（MPZ）、熔池邊界（MPB）和熱影響區(qū)（HAZ），然后重復該過程，如圖3（a）［25］所示。Dong等［26］將層間分為上部區(qū)（UP）和下部區(qū)（LP），UP中的晶粒從沉積層的起始位置開始，LP中的晶粒從倒數(shù)第二層和最后一層之間的熔合線開始，如圖3（b）所示。UP層的長大依賴于已經(jīng)沉積柱狀晶的持續(xù)生長，此時，LP的生長依賴于新晶粒從熔池底部成核和生長，因此柱狀晶受到了阻礙。

圖3

2.1.2 力學性能的固有特征

迄今為止，諸多研究聚焦于提高WAAM制造的鋁合金構(gòu)件的力學性能和結(jié)構(gòu)性能，通過改變不同的工藝參數(shù)，包括電弧模式、送絲速度、沉積速度以及采用后處理的手段進行優(yōu)化。然而，因裂紋敏感性高，成功制備高強鋁合金構(gòu)件鮮有報道。單純堆焊沉積的高強鋁合金構(gòu)件的抗拉強度往往超不過300 MPa［26-27］。與WAAM高強鋁合金相關(guān)的裂紋、孔隙率、不均勻的微觀結(jié)構(gòu)、殘余應力和變形等缺陷使其對研究人員更具有挑戰(zhàn)性。

高強鋁合金強度主要來源于鋁基體中密集的納米析出相產(chǎn)生的沉淀硬化，Al-Cu系合金主要是析出的高密度Al2Cu（θ′）使得強度大幅度提升，Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金形成的主要強化相MgZn2（η′）尺寸更小，分布更彌散，沉淀硬化效應更顯著。高強鋁合金構(gòu)件的強化效果與溫度和時間有著密切的關(guān)系。WAAM多次熱循環(huán)在沉積初期熱量累積，散熱條件逐漸惡化，并且后續(xù)沉積熱對已成形層都施加不同溫度和循環(huán)次數(shù)的熱處理效果［28］。典型Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金WAAM不同區(qū)域的熱循環(huán)及強化相析出形貌示意圖如圖4（a）［26］所示。非平衡凝固條件下，構(gòu)件頂部位置A在析出溫度范圍內(nèi)沒有經(jīng)歷有效的熱循環(huán)，合金元素仍固溶在基體內(nèi)�？拷�基板的位置經(jīng)歷更有效的熱循環(huán)，沉淀物成核并長大。隨著與熱源距離的增加，后續(xù)熱循環(huán)的峰值溫度可能會在析出溫度范圍以下，因此析出相不再長大，穩(wěn)定成位置D的形貌。典型7系鋁合金WAAM構(gòu)件納米析出相形貌如圖4（b）［26］所示。由于持續(xù)熱循環(huán)導致最底層構(gòu)件內(nèi)是更多粗大且非共格的穩(wěn)定相η的生成，因此其硬度下降。這意味著連續(xù)熱循環(huán)導致已沉積部分發(fā)生過時效，性能形成明顯的各向異性。

圖4

2.1.3 腐蝕性能的固有特征

由于成分過冷的差異，構(gòu)件可能形成具有獨特晶粒結(jié)構(gòu)的區(qū)域［29-31］。此外，由于高強鋁合金都是可熱處理的，WAAM會引起與復雜熱循環(huán)相關(guān)的相變，導致偏析、固溶和過時效等顯著的化學不均勻性［32-33］。其中不可避免地影響合金的局部腐蝕［29］。除此之外，為了進一步提高WAAM高強鋁合金零件的力學性能，需要分析環(huán)境輔助開裂（EAC）對WAAM方法制造的耐腐蝕金屬零件力學性能的影響。EAC往往會影響材料中的多種失效，例如應力腐蝕開裂（SCC）、氫脆（HE）、硫化物應力腐蝕開裂和輻照引起的應力腐蝕開裂（IISCC）。經(jīng)驗表明，由Al7075-T6制成的飛機部件往往會迅速腐蝕，特別是在海洋環(huán)境中運行的飛機［34］。需要對WAAM制造的鋁合金的磨損和腐蝕行為進行適當?shù)臋z查，因為鋁合金部件在其使用壽命期間遇到磨損和腐蝕的區(qū)域被高度利用［35］。出于明顯的安全原因，過度腐蝕的部件必須更換，并且更換成本很高。因此，有必要全面研究WAAM鋁合金制造零件中的EAC行為。

2.2 高強鋁合金WAAM的冶金缺陷

盡管WAAM技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢，但完成高質(zhì)量的WAAM構(gòu)件制造的前提是需要解決適應于WAAM熱條件下高熱輸入的特殊挑戰(zhàn)。WAAM鋁合金的應用受到常見缺陷的限制，其中包括孔隙缺陷［26，28］、裂紋和分層［36-37］、殘余應力［38-40］、變形和揮發(fā)性元素的氧化和蒸發(fā)等，各種金屬WAAM工藝中的常見缺陷范圍如圖5所示［3］。

圖5

2.2.1 孔洞缺陷

高強鋁合金WAAM過程中孔洞缺陷是面臨的重大挑戰(zhàn)之一［2］。許多因素可能會影響孔隙率，包括送絲速度、行進速度和熔滴過渡模式［41］。同時，基板和絲材的清潔程度、焊絲表面質(zhì)量、保護氣體清潔度和焊接工藝參數(shù)等會影響電弧穩(wěn)定性，進而形成孔洞缺陷［40］。一般來說，孔洞缺陷分為基材引起和工藝引起�；�材引起主要包括無法完全去除的水分、油脂和其他雜質(zhì)，污染物很容易吸收到熔池中并在凝固后產(chǎn)生孔洞。因為氫在固體和液體中的溶解度相差很大，即使在液態(tài)鋁中有少量的溶解氫，在凝固后也可能超過溶解度極限，導致氫氣孔產(chǎn)生。工藝引起的孔洞往往是非球形的，主要是不良的路徑規(guī)劃或不穩(wěn)定的沉積過程導致的，容易產(chǎn)生熔化不足或者飛濺噴射，進而形成間隙或孔洞。

與純鋁相比，高強鋁合金由于Mg，Zn等合金元素的加入而導致了氫元素的最大溶解量發(fā)生改變［42-43］，而且Mg，Zn等元素熔點低易揮發(fā)，這使得WAAM高強鋁合金孔洞缺陷難以調(diào)控。Bai等［44］研究了熱處理對2319增材材料孔洞的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)孔洞并沒有消除，而是沿著層間位置發(fā)生了增加。由上可知，控制和消除增材構(gòu)件的孔洞缺陷非常復雜。目前控制和消除孔洞缺陷的方法主要為以下三個方面：（1）優(yōu)化絲材質(zhì)量。優(yōu)化合金元素成分和比例，添加Zr，Ti等能降低孔隙率的有利元素。降低絲材表面粗糙度［41］，去除絲材表面的油脂、水分等氫源頭的碳氫化合物［45］。（2）優(yōu)化工藝參數(shù)。調(diào)控合理工藝參數(shù)，包括優(yōu)化保護氣體、降低熱輸入、優(yōu)化熱源［46］、調(diào)整熔滴過渡形式［47］和主動調(diào)控層間溫度［48］等。（3）輔助能量場或復合增材技術(shù)。采用激光-電弧復合工藝［49］、超聲波輔助電弧［50］、層間冷軋［51］、層間錘擊［52］和層間攪拌摩擦加工［53］等復合增材制造技術(shù)。

2.2.2 裂紋

凝固裂紋是鋁合金WAAM過程中的典型缺陷，高強鋁合金的裂紋敏感性較高，在所有的增材方式中都無法完全避免［54］。鋁合金具有寬泛的凝固溫度范圍以及晶界液化的存在，高熱源導致高冷速，使得易于產(chǎn)生凝固裂紋。根據(jù)Gu等［55］的研究，在沉積合金中增加銅的含量能一定程度地降低凝固裂紋的敏感性。Ouyang等［56］認為粗大的晶粒和晶界位置第二相的偏析是加劇WAAM凝固裂紋敏感性的主要原因。由于層間固體熔化不充分而導致相鄰層分層或者分離也是常見明顯缺陷，無法通過后處理或者熱處理技術(shù)去消除，但可以通過遵循適當?shù)墓に噮��?shù)來避免。由此可見，優(yōu)化合金成分、避免凝固過程元素偏析、細化晶粒和調(diào)整適當特征參數(shù)是消除高強鋁合金裂紋的主要途徑。

2.2.3 殘余應力

WAAM過程需要多個不均勻的加熱和冷卻循環(huán)，在高熱輸入導致晶粒粗大等組織問題的同時，還會產(chǎn)生殘余應力和變形等形狀問題，殘余應力包括微觀層面和宏觀層面的應力。目前的研究發(fā)現(xiàn)增加熱輸入可有效地降低殘余應力［57］，與之相反卻增加了熱變形量。往往薄壁構(gòu)件的縱向殘余應力較大，導致在基板和構(gòu)件界面處殘余應力由拉應力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯�力，這與薄板弧焊產(chǎn)生的殘余應力相似。目前WAAM導致殘余應力的關(guān)鍵因素包括［58］：空間溫度梯度、熱膨脹與收縮、應變兼容性、力平衡與應力-應變本構(gòu)模型。

3 高強鋁合金WAAM性能優(yōu)化手段

目前，輔助方法在WAAM中被廣泛應用來改進高強鋁合金形性質(zhì)量，性能優(yōu)化主要方法包括：材料設計（成分設計、雙絲/多絲/熱絲WAAM、微觀結(jié)構(gòu)設計）；凝固后處理（熱處理、機械、超聲、激光噴丸）；凝固過程中組織調(diào)控（復合熱源、異質(zhì)顆粒、超聲輔助、層間冷卻、工藝參數(shù)輔助優(yōu)化）；復合增材制造方法（層間冷軋、機械錘擊、攪拌摩擦加工、銑削）等。

3.1 材料設計

事實上，鑄造等傳統(tǒng)加工技術(shù)在大型高強航空航天鋁合金構(gòu)件的制造過程中面臨鑄造性能差、買飛比高等挑戰(zhàn)［59］，因此越來越多研究人員開始研究高強鋁合金在WAAM應用的可行性。第一個挑戰(zhàn)是焊接用商業(yè)高強鋁合金焊絲在熔焊過程中容易出現(xiàn)熱裂紋和氣孔，嚴重影響強度、延展性等性能［60］。另一個挑戰(zhàn)是高強鋁合金絲材的生產(chǎn)極其困難，因為在拉絲過程中加工硬化和沉淀強化非常強，傳統(tǒng)拉絲工藝往往會發(fā)生斷絲而無法加工。目前為止，WAAM生產(chǎn)的高強鋁合金有兩種方法：一是多絲共熔［61-62］，二是自制原料［46，63-64］。Yu等［61］采用三絲共熔ER2319，ER5356和Zn來優(yōu)化高強鋁合金，由于成分不均勻而表現(xiàn)出典型的各向異性，水平和垂直抗拉強度為241 MPa和160 MPa。Klein等［46］開發(fā)了一種新型高強鋁合金焊絲Al-3.6Zn-5.9Mg-0.3Cu并用CMT進行制造，沉積后進行兩級時效處理，抗拉強度達到477 MPa。Guo等［63-64］開發(fā)了7B55-Sc焊絲，在增材過程中Al3（Sc，Zr）顆粒在凝固過程中作為異質(zhì)形核促進等軸晶的形成，細化了顯微組織。在增材后進行T6熱處理后水平抗拉強度高達618 MPa，被認為是WAAM制造600 MPa級鋁合金的突破。這使得多絲共熔原位制備高強鋁合金成為了新的發(fā)展思路，而且可以通過調(diào)控絲材的種類和送絲速度達到制備設定合金成分的鋁合金以及梯度鋁合金。

除了采用不同的熱源進行增材制造之外，國內(nèi)外學者還通過改善不同的送絲設備、熔滴過渡狀態(tài)和熱輸入來優(yōu)化沉積過程。WAAM制造的鋁合金往往由于高的熱輸入和溫度梯度形成粗大的晶粒和第二相，這使得性能下降［61，65］。因此，通過減少電弧熱輸入來細化晶粒是一個重要的優(yōu)化手段［66］。熱絲電弧增材制造技術(shù)（HWAAM）是一種基于WAAM的新型制造方法，可以獲得綜合性能良好的零件［67］。HWAAM的原理是在WAAM系統(tǒng)的基礎上增加了電阻電源，電阻電源的正極通過滑塊連接至絲材，負極連接至基板，當絲材送進熔池時電路連通，電阻產(chǎn)生的電阻熱會加熱絲材。熱絲不僅能夠輔助焊絲熔化，提高沉積效率，而且能夠減少電弧能量輸入，促進柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)化。Fu等［67］采用HWAAM成功制備了致密度為99.64%的2024鋁合金，并且抗拉強度達到399 MPa。

3.2 凝固后處理

對于熱處理強化的鋁合金，WAAM后進行熱處理已經(jīng)成為了通用的處理手段，往往采用T6熱處理實現(xiàn)沉淀強化作用來提高抗拉強度和均勻微觀組織［68-69］，同時能夠減少殘余應力。Li等［69］對7系WAAM構(gòu)件進行了T6熱處理，結(jié)果顯示T6處理可以減少第二相的數(shù)量和尺寸，并且元素均勻分布，硬度、抗拉強度和延伸率都有了很大的提升。然而值得注意的是，對于精密鋁合金WAAM構(gòu)件的熱處理過程，會發(fā)生快速冷卻導致的變形控制，甚至會出現(xiàn)開裂的可能性，嚴重影響構(gòu)件的精準度和性能。因此，選擇合適的冷卻材料和針對材料屬性的特殊熱處理工藝值得去開發(fā)。

除此之外，國內(nèi)外學者還對凝固后構(gòu)件進行了機械熱處理，包括熱鍛和噴丸等，不過目前只針對于鋼鐵材料［70-72］。鍛造工藝可以將壓縮塑形引入到增材零件中，從而黏合空隙，啟動晶粒細化，消除或減少紋理并改善表面光潔度。噴丸同樣能使材料表面發(fā)生塑性變形來誘導晶粒細化，顯著提升疲勞壽命和強度。對于需要特殊服役要求的高強鋁合金，對構(gòu)件表面進行特殊處理能夠一定程度提高抗腐蝕性、抗摩擦磨損和抗疲勞等，因此值得開發(fā)適合高強鋁合金的機械熱處理。

3.3 凝固過程中組織調(diào)控

復合熱源的焊接技術(shù)在材料連接上已經(jīng)實現(xiàn)了很好的應用。近年來為了擴大WAAM的可行性，解決熱量累積導致的晶粒尺寸過大的問題，一些新型復合WAAM技術(shù)得到了使用。Bai等［73］發(fā)現(xiàn)采用單一TiG沉積的2219鋁合金的晶粒尺寸約為50 μm。Cong等［47］采用了一種先進的冷金屬過渡脈沖（CMT-PADV）工藝有效地消除了孔隙，細化了晶粒，抗拉強度和延伸率得到了提升。激光電弧復合是可以將高能激光和適應性強的TIG結(jié)合在一起的高效、高質(zhì)量的工藝，由于激光電弧的協(xié)同效應，激光熱輸入可細化小孔中的晶粒實現(xiàn)高冷卻速率，進而提高力學性能［74］。Wu等［49］采用新型激光-TIG復合增材制造技術(shù)成功制備了無裂紋、孔隙少的2219鋁合金，熔池分為了上部的電弧區(qū)（AZ）和下部的激光區(qū)（LZ），在激光的攪拌作用下晶粒更加細小，元素分布更加均勻。Liu等［75］創(chuàng)新開發(fā)了脈沖激光電弧復合工藝，并進行了熱處理，成功制備了強度高達602 MPa的Al-Zn-Mg-Cu鋁合金。通過常規(guī)電弧電流波形上添加并調(diào)節(jié)超聲頻率脈沖電流，可以實現(xiàn)超聲頻率脈沖電弧熱源。調(diào)頻超聲脈沖電弧已應用于金屬熔焊工藝，具有增強電弧力、減少氣孔缺陷、細化晶粒等優(yōu)勢。Cong等［76］采用傳統(tǒng)的可變極性（VP）和超聲頻率脈沖可變極性（UFVPP）的TIG電弧模式進行了2024鋁合金的制造，減少了孔隙，并且強度和元素均勻性得到了提升。

由于WAAM的固化行為，仍然存在孔隙和顆粒的團聚問題。基于聲空化和流動效應，超聲波能量已經(jīng)用于傳統(tǒng)熔焊工藝。近年來，相關(guān)學者在超聲波輔助（UA）增材制造方面進行了研究。Wang等［50］將超聲波探頭直接浸入局部熔池并在沉積電弧后面隨進，成功制備了7075與TiB2納米復合材料。結(jié)果顯示，在UA的影響下，孔隙率低，凝固結(jié)構(gòu)精細，納米粒子團聚分散較少。隨后，Wang等［77］進一步開發(fā)了UA的HWAAM工藝，制備了TiB2納米顆粒增強的7075鋁合金。在熱絲和超聲波的協(xié)同效應下，獲得了更低孔隙率、分布更均勻的納米粒子和更強的力學性能。

與引入能量場輔助晶粒細化、添加微量元素改善晶界成分、加工硬化和熱處理迫使溶質(zhì)元素重新分布促進強化相析出等強化方法相比，添加陶瓷顆粒到高強鋁合金作為異質(zhì)形核點，可以抑制晶界偏析，同時細化晶粒。目前研究學者對顆粒增強WAAM進行了大量研究［78-86］，陶瓷顆粒主要為TiC，TiN和TiB2等。表1 ［50，77-86］為不同增強顆粒對高強鋁合金性能的影響。Fu等［82］制備了含TiC納米顆粒的7075鋁合金絲材，TiC顆粒可以與位于晶界的第二相結(jié)合，同時可以作為異質(zhì)形核點促進形核率，最終獲得了細小的等軸晶組織，沉積態(tài)強度提升至435 MPa。靳鵬等［87］為了消除Al-Cu合金WAAM出現(xiàn)的柱狀晶和晶界偏析等缺陷，提出了TiC顆粒低頻振動輔助添加對2219鋁合金WAAM強韌化的方法，從根本上改善了結(jié)晶過程，抑制了偏析和氣孔缺陷的產(chǎn)生。

表1

WAAM由于能量輸入不集中，冷卻速率要低很多，能量部分通過先前沉積的層消散到基體，部分通過對流和輻射散射到環(huán)境空氣，隨著構(gòu)件高度的增加，基板的傳導熱阻顯著增加，直至熱輸入和散熱達到平衡時穩(wěn)定［88-89］。一方面，熱量累積不僅會減慢熔池的凝固速度，使得焊道比預期更寬，嚴重影響幾何精度、材料利用和生產(chǎn)率［89］。另一方面，對于沉淀強化的高強鋁合金，凝固范圍廣，冷速對凝固裂紋的敏感性是非常顯著的。同時，層間溫度對促進動態(tài)析出過程至關(guān)重要。因此，Geng等［90］指出適當?shù)膶娱g溫度控制和熱輸入調(diào)節(jié)是在自下而上的增材制造過程中實現(xiàn)和保持統(tǒng)一的熱邊界條件的有效辦法。Li等［91-92］開發(fā)了一種基于熱電冷卻技術(shù)的過程主動冷卻系統(tǒng)，使得上層散熱可以達到與下層相同的水平，不僅能提高最大送絲速度（9%~15%），還可以減少層間停留時間（42%~45%），整體效率提升0.97倍以上。Dong等［93］通過控制層間溫度研究了Al-Zn-Mg-Cu合金在WAAM過程中微觀結(jié)構(gòu)與層間溫度之間的復雜關(guān)系，結(jié)果顯示較高的層間溫度會導致孿生枝晶取向分布不均勻、細晶粗化以及大角度晶界的增加，高的層間溫度有助于加速動態(tài)析出過程，但非常有限。

3.4 復合增材制造方法

為了克服增材制造和傳統(tǒng)制造工藝的缺點和工藝限制，工業(yè)界和學術(shù)界開發(fā)了制造工藝的復合方法。根據(jù)國際生產(chǎn)工程科學院（CIRP）的定義，復合制造工藝基于同時且受控的工藝機制/能源/工具的相互作用，對工藝性能具有顯著影響［94］。近年來，增材工藝與其他生產(chǎn)方法結(jié)合使用，以實現(xiàn)最終零件所需的材料特性、設計和尺寸公差［95］。目前，研究者已經(jīng)對高強鋁合金復合增材制造工藝（hybrid-AM）進行了研究，主要包括層間冷軋、機械錘擊、攪拌摩擦加工（FSP）和銑削等增等減制造。典型的層間復合增材制造方法如圖6 ［40，52-53］所示。

圖6

在每個沉積層進行輥壓已經(jīng)證明可以減少殘余應力和變形［51］，不僅可以降低殘余應力，還可以帶來更均勻的組織和性能，顯著降低微觀結(jié)構(gòu)地各向異性。同時，軋制過程會產(chǎn)生高密度位錯，這些位錯可以作為原子氫吸收的優(yōu)先位點［96］以及氫擴散管道，允許擴散到表面，因此當層間冷軋時可以減少甚至消除構(gòu)件中存在的孔隙。Gu等［36，68，97］研究了層間軋制和沉積后熱處理對孔隙率的影響，極大地減少了氣孔數(shù)量，性能得到了提升。Hönnige等［40］研究了垂直層間軋制和沉積后側(cè)軋對WAAM生產(chǎn)的2319鋁合金單壁墻的影響，垂直層間軋制改變了單壁墻中的殘余應力，并且消除了變形，同時促進了材料的自然時效。

層間錘擊是近年來提出的另外一種新型復合技術(shù)，相比于層間軋制，無需與重型設備組裝以提供更大的連續(xù)靜壓，但可以與工業(yè)機器人很好地結(jié)合，實現(xiàn)更高的加工自由度，瞬間沖擊力實現(xiàn)高的塑性變形，應變率高，適合曲率小或薄懸垂結(jié)構(gòu)部件。Fang等［52］自主研發(fā)了氣動錘擊裝置實現(xiàn)了2319鋁合金構(gòu)件的層間變形，50.8%變形樣品的抗拉強度增加到334.6 MPa。除此之外，采用激光噴丸、超聲波沖擊等層間處理已經(jīng)在鋼和鈦等金屬上得到了應用，但還未在高強鋁合金增材得到實踐。需要改進的是，超聲和激光等沖擊處理對固態(tài)金屬影響非常有限，受到穿透深度的限制，超聲沖擊的穿透深度最多為表面以下60 μm，因此，雖然作為很好的后處理手段，但效果甚微。

在增材制造工藝中引入層間塑性變形可以在細化晶粒的同時提高位錯密度，從而提高構(gòu)件的性能。目前，攪拌摩擦加工（FSP）和攪拌摩擦沉積增材（AFSD）已經(jīng)在材料改性和材料制造方面取得了重要的成果，作為新興的金屬固相加工技術(shù)，可以完全避免熔化增材的固有缺點。因此，創(chuàng)新性地將FSP復合WAAM具有其獨特的優(yōu)勢。Wei等［53］通過復合WAAM-層間FSP（WAAM-IFSP）工藝制備了2319鋁合金零件，在攪拌區(qū)（SZ）獲得精細的微觀結(jié)構(gòu)，有效消除孔隙。隨后該課題組［98］采用同樣的方法制備了Al-Zn-Mg-Cu，SZ區(qū)域顯示出高達504 MPa的抗拉強度。Yuan等［99］采用WAAM-IFSP制造了2319鋁合金，獲得了由交替的晶粒形態(tài)的周期性微觀結(jié)構(gòu)，具有23.2%的高伸長率。表2 ［36，40，49-50，52-53，68，75-77，83，97-102］總結(jié)了層間復合增材制造技術(shù)對組織和性能的影響。由此可見，在層間引入塑性變形為制備高強鋁合金提供了新的發(fā)展方向。

表2

3 未來發(fā)展趨勢
在過去的20年中，WAAM已經(jīng)廣泛應用于眾多工業(yè)領(lǐng)域復雜零部件的制造，其主要應用領(lǐng)域之一是航空航天業(yè)，該行業(yè)使用大量高比強度和比剛度以及出色機械加工性能的高強鋁合金。然而，增材工藝在高強鋁合金中的適用性仍然受到較大的限制。盡管多年來大量的研究工作致力于最大限度地減少或者消除這些缺陷，但總的來說還僅僅處在起步階段，提高WAAM構(gòu)件的形性和擴大高強鋁合金的應用范圍是個巨大的挑戰(zhàn)。

（1）WAAM高強鋁合金綜合評價體系。目前的研究主要集中在通過減少缺陷和細化晶粒進行強度評價，但航空航天更高的安全性要求對高強鋁合金零件破損的剩余強度，以及初始裂紋到臨界裂紋擴展的壽命提出了明確要求，因而對WAAM高強鋁合金的疲勞裂紋擴展速率、斷裂韌性、抗應力腐蝕性能等同樣提出了更高的綜合要求，迄今為止這方面的研究較少。

（2）WAAM用高強鋁合金成分設計和絲材研發(fā)。特定WAAM部件需要滿足其最終用途的特定性能，性能-微觀結(jié)構(gòu)-合金成分密不可分。WAAM意味著高溫熔化循環(huán)，而鋁合金的揮發(fā)性元素往往損失嚴重，并且添加微合金化元素對高強鋁合金的強度和耐腐蝕性能提升至關(guān)重要。通過“過度合金化”策略解決元素揮發(fā)問題，納米陶瓷顆粒復合材料鋁合金絲材替代協(xié)同性差的層間添加工藝。定制WAAM材料和WAAM用顆粒增強復合材料焊絲將在未來增材工業(yè)環(huán)境的發(fā)展中受到高度重視。

（3）WAAM高強鋁合金熱處理制度。WAAM逐層熱輸入會形成時效不均勻的構(gòu)件，往往底層為過時效狀態(tài)。因此，為了尋求均勻分布的微觀組織，宜采用定制熱處理以提高特征性能。同時還需要考慮合金元素、納米形核顆粒和層間變形處理等的影響，充分考慮電弧熱自時效和熱處理變形等因素，研發(fā)高效和低成本的熱處理制度。

（4）復合增材制造技術(shù)的協(xié)同性。復合增材制造工藝目前僅停留在探索階段，將多個離散操作集成到一個新的裝置上進行單區(qū)域加工具有很高的難度。同時，復合增材過程中組織和性能的演化機理以及塑性變形的影響機理鮮有報道，其本質(zhì)作用機理和影響節(jié)點尚不明確，例如塑性下壓量與沉積單層高度的協(xié)同、機械變形與層間溫度的協(xié)同、預變形后沉積層與熱處理制度的協(xié)同等。因此，復合增材制造技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化和熱-力-形-性的本構(gòu)關(guān)系還需進一步探索。


來源：王樹文,陳樹君,趙騏躍,等.高強鋁合金電弧增材制造的研究進展[J].材料工程,2024,52(7):1-14.

WANG Shuwen, CHEN Shujun,ZHA0 Qiyue ,et al. Research progress in arc additive manufacturing of high-strength aluminum alloys[J]. Journal of Materials Engineering,2024,52(7):1-14.