高強(qiáng)鋁合金電弧增材制造的研究進(jìn)展

作者：王樹(shù)文1, 陳樹(shù)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(xué) 汽車(chē)結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心，北京 100124
2. 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016

高強(qiáng)鋁合金因具有高強(qiáng)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(chē)應(yīng)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(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的能力，非常適用于中型或大型高強(qiáng)鋁合金鋁部件的制造。本文綜合分析了高強(qiáng)鋁合金電弧增材制造工藝和設(shè)備研發(fā)現(xiàn)狀、高強(qiáng)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(fù)合增材制造技術(shù)對(duì)組織和性能的影響。針對(duì)電弧增材制造高強(qiáng)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(wèn)題，提出了電弧增材制造高強(qiáng)鋁合金綜合評(píng)價(jià)體系、成分設(shè)計(jì)和絲材開(kāi)發(fā)、專(zhuān)用熱處理制度和復(fù)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(qiáng)鋁合金的性能提升和應(yīng)用推廣提供重要參考。

在工業(yè)革命快速發(fā)展的新時(shí)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(qiáng)的和更節(jié)能的新制造工藝時(shí)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(jìn)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(shí)間相對(duì)較短，但加工材料消耗更少［2］，具有沉積效率高、設(shè)備成本低、材料利用率高、能夠制造大尺寸構(gòu)件、設(shè)計(jì)自由度高、材料可用性廣泛、混合制造和對(duì)環(huán)境污染低等優(yōu)勢(shì)［3］，越來(lái)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(qiáng)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(yīng)用［5］，同時(shí)，又因其高導(dǎo)電率、高導(dǎo)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(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域所用材料。高強(qiáng)鋁合金一般指可熱處理強(qiáng)化的含銅元素的2×××、含鋅元素的7×××鋁合金，主要應(yīng)用在需要高強(qiáng)、高韌、耐腐蝕、高耐損傷要求的航空航天領(lǐng)域。隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)思路的不斷創(chuàng)新，對(duì)先進(jìn)飛機(jī)等構(gòu)件制造提出了越來(lái)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(shí)現(xiàn)的大型復(fù)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(yù)成型件、無(wú)需復(fù)雜的工具、模具和沖模，因而對(duì)高強(qiáng)鋁合金的增材技術(shù)的需求十分強(qiáng)烈，迫切需要直接服務(wù)于裝備制造業(yè)的新成形技術(shù)［7］。

目前為止，雖然對(duì)WAAM已經(jīng)進(jìn)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(wèn)題，包括熱源和設(shè)備的研發(fā)、高強(qiáng)鋁合金微合金化設(shè)計(jì)、工藝開(kāi)發(fā)、缺陷消除方法等。本文對(duì)WAAM高強(qiáng)鋁合金的熱源和設(shè)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(jìn)行了討論，重點(diǎn)討論WAAM高強(qiáng)鋁合金的凝固特性、強(qiáng)化機(jī)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(píng)價(jià)體系、成分設(shè)計(jì)與絲材開(kāi)發(fā)、專(zhuān)用熱處理制度和復(fù)合增材制造技術(shù)的協(xié)同性等發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以期提高電弧增材構(gòu)件的形性和擴(kuò)大高強(qiáng)鋁合金的應(yīng)用范圍，加快高強(qiáng)鋁合金的研究進(jìn)程。

1 高強(qiáng)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(shè)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(rèn)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(lái)沉積金屬裝飾品［10］。隨著高質(zhì)量計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造軟件（CAD/CAM）的出現(xiàn)使得增材制造的廣泛應(yīng)用成為可能，特別是WAAM，成為了一個(gè)重要發(fā)展的領(lǐng)域。相關(guān)學(xué)者評(píng)估了WAAM與其他增材工藝的相對(duì)優(yōu)勢(shì)［11-12］，如圖1所示�？梢钥闯�，WAAM的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于交貨周期、材料浪費(fèi)和改進(jìn)功能方面，還能夠針對(duì)小批量零件的工具和多材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)定制化服務(wù)。

圖1

WAAM系統(tǒng)裝置主要包括熱源、送絲機(jī)、輔助保護(hù)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(lái)說(shuō)，WAAM工藝通常分為三種類(lèi)型：熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）［13］、非熔化極鎢極氣體保護(hù)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(lèi)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(guò)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(jìn)行熔化，會(huì)產(chǎn)生更多的焊接煙霧和飛濺，尤其熔滴飛濺最為嚴(yán)重�？梢�(jiàn)，WAAM工藝的選擇會(huì)直接影響目標(biāo)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(shí)現(xiàn)沉積成形，可分為金屬惰性氣體焊接（MIG）和冷金屬過(guò)渡（CMT）［18］。隨著CMT增材技術(shù)的研發(fā)，眾多學(xué)者認(rèn)為CMT是最合適的增材制造技術(shù)［19］，因?yàn)镃MT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(wèn)題。CMT技術(shù)集成了四個(gè)過(guò)程，即起弧-填充熔池和滅弧-短路回抽-循環(huán)往復(fù)［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(xué)者認(rèn)為CMT是一種低成本的熔絲增材方式，因?yàn)楹附z是在非反應(yīng)的惰性氣體中進(jìn)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(dá)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(wèn)題，但因?yàn)楹笜屌c送絲相互獨(dú)立，送絲方向和焊槍移動(dòng)方向需要完美的匹配，因此在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)件時(shí)難度較大。PAW于2006年進(jìn)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(jī)在焊槍下部，焊絲熔化并沉積在基體上，重復(fù)該過(guò)程實(shí)現(xiàn)增材。

2 高強(qiáng)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(qiáng)鋁合金在WAAM工藝的成形過(guò)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(wú)法完全消除的屬性，在本文中稱(chēng)為“固有特性/屬性”。WAAM以層間堆焊的方式進(jìn)行沉積，因此層間結(jié)合成為了組織主要特征和重點(diǎn)強(qiáng)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(lái)說(shuō)，在沒(méi)有額外能量場(chǎng)等因素的影響情況下，對(duì)于WAAM構(gòu)件的每個(gè)單獨(dú)層，存在熔池區(qū)（MPZ）、熔池邊界（MPB）和熱影響區(qū)（HAZ），然后重復(fù)該過(guò)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(kāi)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(kāi)始，如圖3（b）所示。UP層的長(zhǎng)大依賴于已經(jīng)沉積柱狀晶的持續(xù)生長(zhǎng)，此時(shí)，LP的生長(zhǎng)依賴于新晶粒從熔池底部成核和生長(zhǎng)，因此柱狀晶受到了阻礙。

圖3

2.1.2 力學(xué)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(xué)性能和結(jié)構(gòu)性能，通過(guò)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(jìn)行優(yōu)化。然而，因裂紋敏感性高，成功制備高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件鮮有報(bào)道。單純堆焊沉積的高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度往往超不過(guò)300 MPa［26-27］。與WAAM高強(qiáng)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(yīng)力和變形等缺陷使其對(duì)研究人員更具有挑戰(zhàn)性。

高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)度主要來(lái)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(qiáng)度大幅度提升，Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金形成的主要強(qiáng)化相MgZn2（η′）尺寸更小，分布更彌散，沉淀硬化效應(yīng)更顯著。高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件的強(qiáng)化效果與溫度和時(shí)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(duì)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(qiáng)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(méi)有經(jīng)歷有效的熱循環(huán)，合金元素仍固溶在基體內(nèi)。靠近基板的位置經(jīng)歷更有效的熱循環(huán)，沉淀物成核并長(zhǎng)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(huì)在析出溫度范圍以下，因此析出相不再長(zhǎng)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(dǎo)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(dǎo)致已沉積部分發(fā)生過(guò)時(shí)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(guò)冷的差異，構(gòu)件可能形成具有獨(dú)特晶粒結(jié)構(gòu)的區(qū)域［29-31］。此外，由于高強(qiáng)鋁合金都是可熱處理的，WAAM會(huì)引起與復(fù)雜熱循環(huán)相關(guān)的相變，導(dǎo)致偏析、固溶和過(guò)時(shí)效等顯著的化學(xué)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(jìn)一步提高WAAM高強(qiáng)鋁合金零件的力學(xué)性能，需要分析環(huán)境輔助開(kāi)裂（EAC）對(duì)WAAM方法制造的耐腐蝕金屬零件力學(xué)性能的影響。EAC往往會(huì)影響材料中的多種失效，例如應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）、氫脆（HE）、硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和輻照引起的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（IISCC）。經(jīng)驗(yàn)表明，由Al7075-T6制成的飛機(jī)部件往往會(huì)迅速腐蝕，特別是在海洋環(huán)境中運(yùn)行的飛機(jī)［34］。需要對(duì)WAAM制造的鋁合金的磨損和腐蝕行為進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z查，因?yàn)殇X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(guò)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(qiáng)鋁合金WAAM的冶金缺陷

盡管WAAM技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但完成高質(zhì)量的WAAM構(gòu)件制造的前提是需要解決適應(yīng)于WAAM熱條件下高熱輸入的特殊挑戰(zhàn)。WAAM鋁合金的應(yīng)用受到常見(jiàn)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(yīng)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(jiàn)缺陷范圍如圖5所示［3］。

圖5

2.2.1 孔洞缺陷

高強(qiáng)鋁合金WAAM過(guò)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(huì)影響孔隙率，包括送絲速度、行進(jìn)速度和熔滴過(guò)渡模式［41］。同時(shí)，基板和絲材的清潔程度、焊絲表面質(zhì)量、保護(hù)氣體清潔度和焊接工藝參數(shù)等會(huì)影響電弧穩(wěn)定性，進(jìn)而形成孔洞缺陷［40］。一般來(lái)說(shuō)，孔洞缺陷分為基材引起和工藝引起�；�材引起主要包括無(wú)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?yàn)闅湓诠腆w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(guò)溶解度極限，導(dǎo)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(guò)程導(dǎo)致的，容易產(chǎn)生熔化不足或者飛濺噴射，進(jìn)而形成間隙或孔洞。

與純鋁相比，高強(qiáng)鋁合金由于Mg，Zn等合金元素的加入而導(dǎo)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(diǎn)低易揮發(fā)，這使得WAAM高強(qiáng)鋁合金孔洞缺陷難以調(diào)控。Bai等［44］研究了熱處理對(duì)2319增材材料孔洞的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)孔洞并沒(méi)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(fù)雜。目前控制和消除孔洞缺陷的方法主要為以下三個(gè)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?xì)浠�合物�?5］。（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(hù)氣體、降低熱輸入、優(yōu)化熱源［46］、調(diào)整熔滴過(guò)渡形式［47］和主動(dòng)調(diào)控層間溫度［48］等。（3）輔助能量場(chǎng)或復(fù)合增材技術(shù)。采用激光-電弧復(fù)合工藝［49］、超聲波輔助電�。�50］、層間冷軋［51］、層間錘擊［52］和層間攪拌摩擦加工［53］等復(fù)合增材制造技術(shù)。

2.2.2 裂紋

凝固裂紋是鋁合金WAAM過(guò)程中的典型缺陷，高強(qiáng)鋁合金的裂紋敏感性較高，在所有的增材方式中都無(wú)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(dǎo)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(rèn)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(dǎo)致相鄰層分層或者分離也是常見(jiàn)明顯缺陷，無(wú)法通過(guò)后處理或者熱處理技術(shù)去消除，但可以通過(guò)遵循適當(dāng)?shù)墓に噮��?shù)來(lái)避免。由此可見(jiàn)，優(yōu)化合金成分、避免凝固過(guò)程元素偏析、細(xì)化晶粒和調(diào)整適當(dāng)特征參數(shù)是消除高強(qiáng)鋁合金裂紋的主要途徑。

2.2.3 殘余應(yīng)力

WAAM過(guò)程需要多個(gè)不均勻的加熱和冷卻循環(huán)，在高熱輸入導(dǎo)致晶粒粗大等組織問(wèn)題的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形等形狀問(wèn)題，殘余應(yīng)力包括微觀層面和宏觀層面的應(yīng)力。目前的研究發(fā)現(xiàn)增加熱輸入可有效地降低殘余應(yīng)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(yīng)力較大，導(dǎo)致在基板和構(gòu)件界面處殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，這與薄板弧焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力相似。目前WAAM導(dǎo)致殘余應(yīng)力的關(guān)鍵因素包括［58］：空間溫度梯度、熱膨脹與收縮、應(yīng)變兼容性、力平衡與應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型。

3 高強(qiáng)鋁合金WAAM性能優(yōu)化手段

目前，輔助方法在WAAM中被廣泛應(yīng)用來(lái)改進(jìn)高強(qiáng)鋁合金形性質(zhì)量，性能優(yōu)化主要方法包括：材料設(shè)計(jì)（成分設(shè)計(jì)、雙絲/多絲/熱絲WAAM、微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）；凝固后處理（熱處理、機(jī)械、超聲、激光噴丸）；凝固過(guò)程中組織調(diào)控（復(fù)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(fù)合增材制造方法（層間冷軋、機(jī)械錘擊、攪拌摩擦加工、銑削）等。

3.1 材料設(shè)計(jì)

事實(shí)上，鑄造等傳統(tǒng)加工技術(shù)在大型高強(qiáng)航空航天鋁合金構(gòu)件的制造過(guò)程中面臨鑄造性能差、買(mǎi)飛比高等挑戰(zhàn)［59］，因此越來(lái)越多研究人員開(kāi)始研究高強(qiáng)鋁合金在WAAM應(yīng)用的可行性。第一個(gè)挑戰(zhàn)是焊接用商業(yè)高強(qiáng)鋁合金焊絲在熔焊過(guò)程中容易出現(xiàn)熱裂紋和氣孔，嚴(yán)重影響強(qiáng)度、延展性等性能［60］。另一個(gè)挑戰(zhàn)是高強(qiáng)鋁合金絲材的生產(chǎn)極其困難，因?yàn)樵诶�絲過(guò)程中加工硬化和沉淀強(qiáng)化非常強(qiáng)，傳統(tǒng)拉絲工藝往往會(huì)發(fā)生斷絲而無(wú)法加工。目前為止，WAAM生產(chǎn)的高強(qiáng)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(lái)優(yōu)化高強(qiáng)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(qiáng)度為241 MPa和160 MPa。Klein等［46］開(kāi)發(fā)了一種新型高強(qiáng)鋁合金焊絲Al-3.6Zn-5.9Mg-0.3Cu并用CMT進(jìn)行制造，沉積后進(jìn)行兩級(jí)時(shí)效處理，抗拉強(qiáng)度達(dá)到477 MPa。Guo等［63-64］開(kāi)發(fā)了7B55-Sc焊絲，在增材過(guò)程中Al3（Sc，Zr）顆粒在凝固過(guò)程中作為異質(zhì)形核促進(jìn)等軸晶的形成，細(xì)化了顯微組織。在增材后進(jìn)行T6熱處理后水平抗拉強(qiáng)度高達(dá)618 MPa，被認(rèn)為是WAAM制造600 MPa級(jí)鋁合金的突破。這使得多絲共熔原位制備高強(qiáng)鋁合金成為了新的發(fā)展思路，而且可以通過(guò)調(diào)控絲材的種類(lèi)和送絲速度達(dá)到制備設(shè)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(jìn)行增材制造之外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還通過(guò)改善不同的送絲設(shè)備、熔滴過(guò)渡狀態(tài)和熱輸入來(lái)優(yōu)化沉積過(guò)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(guò)減少電弧熱輸入來(lái)細(xì)化晶粒是一個(gè)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(chǔ)上增加了電阻電源，電阻電源的正極通過(guò)滑塊連接至絲材，負(fù)極連接至基板，當(dāng)絲材送進(jìn)熔池時(shí)電路連通，電阻產(chǎn)生的電阻熱會(huì)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(jìn)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(qiáng)度達(dá)到399 MPa。

3.2 凝固后處理

對(duì)于熱處理強(qiáng)化的鋁合金，WAAM后進(jìn)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(shí)現(xiàn)沉淀強(qiáng)化作用來(lái)提高抗拉強(qiáng)度和均勻微觀組織［68-69］，同時(shí)能夠減少殘余應(yīng)力。Li等［69］對(duì)7系WAAM構(gòu)件進(jìn)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(qiáng)度和延伸率都有了很大的提升。然而值得注意的是，對(duì)于精密鋁合金WAAM構(gòu)件的熱處理過(guò)程，會(huì)發(fā)生快速冷卻導(dǎo)致的變形控制，甚至?xí)�出現(xiàn)開(kāi)裂的可能性，嚴(yán)重影響構(gòu)件的精準(zhǔn)度和性能。因此，選擇合適的冷卻材料和針對(duì)材料屬性的特殊熱處理工藝值得去開(kāi)發(fā)。

除此之外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還對(duì)凝固后構(gòu)件進(jìn)行了機(jī)械熱處理，包括熱鍛和噴丸等，不過(guò)目前只針對(duì)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(dòng)晶粒細(xì)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(lái)誘導(dǎo)晶粒細(xì)化，顯著提升疲勞壽命和強(qiáng)度。對(duì)于需要特殊服役要求的高強(qiáng)鋁合金，對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)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(kāi)發(fā)適合高強(qiáng)鋁合金的機(jī)械熱處理。

3.3 凝固過(guò)程中組織調(diào)控

復(fù)合熱源的焊接技術(shù)在材料連接上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很好的應(yīng)用。近年來(lái)為了擴(kuò)大WAAM的可行性，解決熱量累積導(dǎo)致的晶粒尺寸過(guò)大的問(wèn)題，一些新型復(fù)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(jìn)的冷金屬過(guò)渡脈沖（CMT-PADV）工藝有效地消除了孔隙，細(xì)化了晶粒，抗拉強(qiáng)度和延伸率得到了提升。激光電弧復(fù)合是可以將高能激光和適應(yīng)性強(qiáng)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(yīng)，激光熱輸入可細(xì)化小孔中的晶粒實(shí)現(xiàn)高冷卻速率，進(jìn)而提高力學(xué)性能［74］。Wu等［49］采用新型激光-TIG復(fù)合增材制造技術(shù)成功制備了無(wú)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(xì)小，元素分布更加均勻。Liu等［75］創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了脈沖激光電弧復(fù)合工藝，并進(jìn)行了熱處理，成功制備了強(qiáng)度高達(dá)602 MPa的Al-Zn-Mg-Cu鋁合金。通過(guò)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(shí)現(xiàn)超聲頻率脈沖電弧熱源。調(diào)頻超聲脈沖電弧已應(yīng)用于金屬熔焊工藝，具有增強(qiáng)電弧力、減少氣孔缺陷、細(xì)化晶粒等優(yōu)勢(shì)。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(jìn)行了2024鋁合金的制造，減少了孔隙，并且強(qiáng)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(tuán)聚問(wèn)題�；�于聲空化和流動(dòng)效應(yīng)，超聲波能量已經(jīng)用于傳統(tǒng)熔焊工藝。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者在超聲波輔助（UA）增材制造方面進(jìn)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(jìn)，成功制備了7075與TiB2納米復(fù)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(xì)，納米粒子團(tuán)聚分散較少。隨后，Wang等［77］進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了UA的HWAAM工藝，制備了TiB2納米顆粒增強(qiáng)的7075鋁合金。在熱絲和超聲波的協(xié)同效應(yīng)下，獲得了更低孔隙率、分布更均勻的納米粒子和更強(qiáng)的力學(xué)性能。

與引入能量場(chǎng)輔助晶粒細(xì)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(jìn)強(qiáng)化相析出等強(qiáng)化方法相比，添加陶瓷顆粒到高強(qiáng)鋁合金作為異質(zhì)形核點(diǎn)，可以抑制晶界偏析，同時(shí)細(xì)化晶粒。目前研究學(xué)者對(duì)顆粒增強(qiáng)WAAM進(jìn)行了大量研究［78-86］，陶瓷顆粒主要為T(mén)iC，TiN和TiB2等。表1 ［50，77-86］為不同增強(qiáng)顆粒對(duì)高強(qiáng)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�？梢耘c位于晶界的第二相結(jié)合，同時(shí)可以作為異質(zhì)形核點(diǎn)促進(jìn)形核率，最終獲得了細(xì)小的等軸晶組織，沉積態(tài)強(qiáng)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(dòng)輔助添加對(duì)2219鋁合金WAAM強(qiáng)韌化的方法，從根本上改善了結(jié)晶過(guò)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(guò)先前沉積的層消散到基體，部分通過(guò)對(duì)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(dǎo)熱阻顯著增加，直至熱輸入和散熱達(dá)到平衡時(shí)穩(wěn)定［88-89］。一方面，熱量累積不僅會(huì)減慢熔池的凝固速度，使得焊道比預(yù)期更寬，嚴(yán)重影響幾何精度、材料利用和生產(chǎn)率［89］。另一方面，對(duì)于沉淀強(qiáng)化的高強(qiáng)鋁合金，凝固范圍廣，冷速對(duì)凝固裂紋的敏感性是非常顯著的。同時(shí)，層間溫度對(duì)促進(jìn)動(dòng)態(tài)析出過(guò)程至關(guān)重要。因此，Geng等［90］指出適當(dāng)?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(guò)程中實(shí)現(xiàn)和保持統(tǒng)一的熱邊界條件的有效辦法。Li等［91-92］開(kāi)發(fā)了一種基于熱電冷卻技術(shù)的過(guò)程主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，使得上層散熱可以達(dá)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(shí)間（42%~45%），整體效率提升0.97倍以上。Dong等［93］通過(guò)控制層間溫度研究了Al-Zn-Mg-Cu合金在WAAM過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)與層間溫度之間的復(fù)雜關(guān)系，結(jié)果顯示較高的層間溫度會(huì)導(dǎo)致孿生枝晶取向分布不均勻、細(xì)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(dòng)態(tài)析出過(guò)程，但非常有限。

3.4 復(fù)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(diǎn)和工藝限制，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界開(kāi)發(fā)了制造工藝的復(fù)合方法。根據(jù)國(guó)際生產(chǎn)工程科學(xué)院（CIRP）的定義，復(fù)合制造工藝基于同時(shí)且受控的工藝機(jī)制/能源/工具的相互作用，對(duì)工藝性能具有顯著影響［94］。近年來(lái)，增材工藝與其他生產(chǎn)方法結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)最終零件所需的材料特性、設(shè)計(jì)和尺寸公差［95］。目前，研究者已經(jīng)對(duì)高強(qiáng)鋁合金復(fù)合增材制造工藝（hybrid-AM）進(jìn)行了研究，主要包括層間冷軋、機(jī)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(fù)合增材制造方法如圖6 ［40，52-53］所示。

圖6

在每個(gè)沉積層進(jìn)行輥壓已經(jīng)證明可以減少殘余應(yīng)力和變形［51］，不僅可以降低殘余應(yīng)力，還可以帶來(lái)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(shí)，軋制過(guò)程會(huì)產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，這些位錯(cuò)可以作為原子氫吸收的優(yōu)先位點(diǎn)［96］以及氫擴(kuò)散管道，允許擴(kuò)散到表面，因此當(dāng)層間冷軋時(shí)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(duì)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(duì)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(yīng)力，并且消除了變形，同時(shí)促進(jìn)了材料的自然時(shí)效。

層間錘擊是近年來(lái)提出的另外一種新型復(fù)合技術(shù)，相比于層間軋制，無(wú)需與重型設(shè)備組裝以提供更大的連續(xù)靜壓，但可以與工業(yè)機(jī)器人很好地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高的加工自由度，瞬間沖擊力實(shí)現(xiàn)高的塑性變形，應(yīng)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(dòng)錘擊裝置實(shí)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(qiáng)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(yīng)用，但還未在高強(qiáng)鋁合金增材得到實(shí)踐。需要改進(jìn)的是，超聲和激光等沖擊處理對(duì)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(xì)化晶粒的同時(shí)提高位錯(cuò)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(diǎn)。因此，創(chuàng)新性地將FSP復(fù)合WAAM具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Wei等［53］通過(guò)復(fù)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(xì)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(dá)504 MPa的抗拉強(qiáng)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(zhǎng)率。表2 ［36，40，49-50，52-53，68，75-77，83，97-102］總結(jié)了層間復(fù)合增材制造技術(shù)對(duì)組織和性能的影響。由此可見(jiàn)，在層間引入塑性變形為制備高強(qiáng)鋁合金提供了新的發(fā)展方向。

表2

3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
在過(guò)去的20年中，WAAM已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜零部件的制造，其主要應(yīng)用領(lǐng)域之一是航空航天業(yè)，該行業(yè)使用大量高比強(qiáng)度和比剛度以及出色機(jī)械加工性能的高強(qiáng)鋁合金。然而，增材工藝在高強(qiáng)鋁合金中的適用性仍然受到較大的限制。盡管多年來(lái)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(lái)說(shuō)還僅僅處在起步階段，提高WAAM構(gòu)件的形性和擴(kuò)大高強(qiáng)鋁合金的應(yīng)用范圍是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

（1）WAAM高強(qiáng)鋁合金綜合評(píng)價(jià)體系。目前的研究主要集中在通過(guò)減少缺陷和細(xì)化晶粒進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià)，但航空航天更高的安全性要求對(duì)高強(qiáng)鋁合金零件破損的剩余強(qiáng)度，以及初始裂紋到臨界裂紋擴(kuò)展的壽命提出了明確要求，因而對(duì)WAAM高強(qiáng)鋁合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率、斷裂韌性、抗應(yīng)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(qiáng)鋁合金成分設(shè)計(jì)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(yán)重，并且添加微合金化元素對(duì)高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性能提升至關(guān)重要。通過(guò)“過(guò)度合金化”策略解決元素?fù)]發(fā)問(wèn)題，納米陶瓷顆粒復(fù)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(qiáng)復(fù)合材料焊絲將在未來(lái)增材工業(yè)環(huán)境的發(fā)展中受到高度重視。

（3）WAAM高強(qiáng)鋁合金熱處理制度。WAAM逐層熱輸入會(huì)形成時(shí)效不均勻的構(gòu)件，往往底層為過(guò)時(shí)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(shí)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(shí)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(fù)合增材制造技術(shù)的協(xié)同性。復(fù)合增材制造工藝目前僅停留在探索階段，將多個(gè)離散操作集成到一個(gè)新的裝置上進(jìn)行單區(qū)域加工具有很高的難度。同時(shí)，復(fù)合增材過(guò)程中組織和性能的演化機(jī)理以及塑性變形的影響機(jī)理鮮有報(bào)道，其本質(zhì)作用機(jī)理和影響節(jié)點(diǎn)尚不明確，例如塑性下壓量與沉積單層高度的協(xié)同、機(jī)械變形與層間溫度的協(xié)同、預(yù)變形后沉積層與熱處理制度的協(xié)同等。因此，復(fù)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(jìn)一步探索。


來(lái)源：王樹(shù)文,陳樹(shù)君,趙騏躍,等.高強(qiáng)鋁合金電弧增材制造的研究進(jìn)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.