電弧增材制造中的熱源及其對(duì)宏觀(guān)微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能的影響

巴基斯坦NED工程技術(shù)大學(xué)、達(dá)伍德工程技術(shù)大學(xué)及巴林大學(xué)的科研人員綜述了電弧增材制造中的熱源及其對(duì)宏觀(guān)微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能的影響。相關(guān)論文以“Heat sources in wire arc additive manufacturing and their impact on macro-microstructural characteristics and mechanical properties–An overview”為題發(fā)表在《Smart Materials and Structures》上。

重點(diǎn)：
1.本綜述研究了電弧增材制造（WAAM）中的電弧熱輸入，如GTAW、GMAW、CMT和PAW，這是一種具有成本效益的高沉積率工藝。
2.報(bào)告了WAAM的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)、微觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，重點(diǎn)關(guān)注能量和熱輸入源的穩(wěn)定性。
3.本綜述還重點(diǎn)介紹了用于WAAM的主要熱源的工藝特性。
4.特點(diǎn)包括混合熱源以及將熱源與減材和變形等制造工藝相結(jié)合。

電弧增材制造技術(shù)（WAAM）的逐層成型理念視為是傳統(tǒng)減材制造方法的可行替代方案，因?yàn)樗�能夠制備出結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度適中的大型金屬部件。與傳統(tǒng)的增材制造（AM）工藝相比，該技術(shù)具有成本低、沉積率高等優(yōu)勢(shì)，因此備受關(guān)注。本綜述研究了基于電弧增材制造系統(tǒng)的鎢極氬弧焊 (GTAW)、熔化極氣體保護(hù)電弧焊(GMAW)、冷金屬過(guò)渡焊接(CMT)、等離子弧焊 (PAW) 材料沉積過(guò)程中的各種電弧熱輸入和熱源。要做到這一點(diǎn)，必須采用全面的方法來(lái)理解主要工藝因素及其對(duì)最終部件質(zhì)量的影響。在本綜述中，研究了與各種熱源和電弧熱輸入有關(guān)的宏觀(guān)微觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為。本綜述還研究了電弧增材制造工藝中與熱量有關(guān)的輸入要素，來(lái)確定熱輸入方面的最佳電弧增材制造技術(shù)。本綜述的主要目的是研究熱輸入與使用電弧增材技術(shù)沉積的零件的力學(xué)、微觀(guān)結(jié)構(gòu)和宏觀(guān)結(jié)構(gòu)特征之間的相關(guān)性。本研究深入探討的熱輸入對(duì)電弧增材制造工藝的穩(wěn)定性至關(guān)重要，并在制造過(guò)程中影響零件的力學(xué)特性和微觀(guān)結(jié)構(gòu)演變。綜述涉及多種材料，包括鋁合金、銅合金、鋼合金、鎳合金、鐵合金、鈦合金、鎂合金和智能材料，重點(diǎn)關(guān)注其微觀(guān)結(jié)構(gòu)、宏觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，為其在多個(gè)行業(yè)的應(yīng)用提供了重要見(jiàn)解。

圖1.根據(jù)技術(shù)要求選擇相關(guān)增材制造方法的示意圖。

圖2.用不同焊接方法展示電弧增材制造原理：(a)GTAW、(b)PAW和(c)GMAW。

圖3.電弧增材制造物理過(guò)程的順序描述，包括從電弧到焊絲的熱傳遞、焊絲熔化、熔滴形成、射滴過(guò)渡、與基材碰撞，然后凝固。

圖4.(A)MIG焊、(B)TIG焊和(C)PAW焊操作原理。

圖5.多層結(jié)構(gòu)被分成不同的區(qū)域，可進(jìn)行綜合表征。

圖6.多層結(jié)構(gòu)的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)分析，（a）頂部、（b）中部和（c）底部。

圖7.電弧增材技術(shù)制造薄壁拉伸試樣的實(shí)驗(yàn)裝置。

圖8.電弧增材制造試樣吸收能量的比較分析。

圖9.(a)復(fù)合焊接和成形工藝原理圖，左側(cè)為焊接工藝，中間框內(nèi)突出顯示熔敷材料的（熱）軋制，右側(cè)是力學(xué)性能被優(yōu)化的焊縫。(b)誘導(dǎo)熱和塑性應(yīng)變產(chǎn)生的微觀(guān)結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

圖10.將WAAM與表面軋制相結(jié)合的混合金屬增材制造工藝示意圖。重點(diǎn)是改變冶金結(jié)構(gòu)，突出晶粒尺寸減小及其對(duì)殘余應(yīng)力的影響。

圖11.金屬增材制造與硬幣鑄造的集成：（a）新型混合制造工藝示意圖，包括激光粉末床熔融(LPBF)沉積、線(xiàn)材電火花加工、拋光和硬幣鑄造；（b）用AISI 316 L鑄成的硬幣原型圖。

圖12.通過(guò)電弧增材技術(shù)沉積的材料及其工業(yè)應(yīng)用實(shí)例。

圖13.部分工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

這篇綜述為有興趣了解最新研究成果的全球?qū)W術(shù)界人士提供了一份成果總結(jié)。文章以最近發(fā)表的大量電弧增材制造研究成果為基礎(chǔ)。為了更好地理解電弧增材制造技術(shù)，提高其接受度和實(shí)用性，需要對(duì)一系列專(zhuān)用設(shè)計(jì)的大型金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)研究。盡管電弧增材技術(shù)的基準(zhǔn)信號(hào)還不如其他制造工藝多，但與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，數(shù)字化制造的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。只要能緩解高熱量輸入帶來(lái)的挑戰(zhàn)并解除限制，大規(guī)模、高質(zhì)量的電弧增材制造是可行的。

電弧增材制造技術(shù)在未來(lái)將占據(jù)領(lǐng)先地位，這對(duì)增材制造行業(yè)來(lái)說(shuō)是非常有利的。近年研究表明，通過(guò)優(yōu)化電弧增材制造過(guò)程中的熱輸入條件，可以增強(qiáng)電弧增材制造零件的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)、微觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。建議在減少熱輸入的同時(shí)改善制造部件的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)，保持結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性并提高沉積率。寬度與高度之比降低的原因是，當(dāng)熱量輸入減少時(shí)，熔池?zé)o法在硬化前膨脹。熱輸入量在很大程度上影響著電弧增材制造樣品的晶粒大小、形狀和孔隙率。一些研究表明，控制影響晶粒的工藝變量（如送絲速度、傳輸速度和熱輸入）可能會(huì)有利。為了增強(qiáng)電弧增材樣品的力學(xué)性能，提高電弧增材零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，應(yīng)進(jìn)一步研究最佳熱輸入以及材料成分與工藝變量之間的聯(lián)系。先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制著電弧增材自動(dòng)化生產(chǎn)流程。它與復(fù)雜和不對(duì)稱(chēng)的零件圖案相輔相成。金屬可通過(guò)當(dāng)前普遍使用的焊接工藝沉積。焊接方法和熱量輸入都能控制金屬沉積的速度。使用電弧增材技術(shù)可以有效降低材料利用率和零件總成本。相對(duì)應(yīng)力、孔隙和分層是電弧增材制造部件的主要問(wèn)題。

特殊工程材料的開(kāi)發(fā)、粒度和分布的重要性、熱問(wèn)題的研究、專(zhuān)門(mén)用于內(nèi)部特殊應(yīng)用的更新材料的合成、材料數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建以及改善力學(xué)和微觀(guān)結(jié)構(gòu)性能的方法，是增材制造材料領(lǐng)域的一些重要研究領(lǐng)域。對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深入研究是必要的，尤其是在為生物醫(yī)學(xué)、建筑、航空和汽車(chē)等重要行業(yè)生產(chǎn)零件時(shí)。


論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.smmf.2024.100059