發(fā)展了一種絲材等離子體弧-激光復(fù)合增材制造技術(shù)；該復(fù)合增材制造工藝呈現(xiàn)出比單獨(dú)使用等離子體和單獨(dú)使用激光更明顯的優(yōu)勢(shì)。獲得了優(yōu)化的復(fù)合工藝參數(shù)。提出一個(gè)多個(gè)能量源(兩個(gè)激光+一個(gè)PTA)的概念來(lái)克服標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合工藝的限制。

成果摘要：

在本研究中，提出一個(gè)新穎的以線材為基礎(chǔ)的等離子體弧（PTA）—激光的復(fù)合增材制造技術(shù)來(lái)沉積大體積的鈦合金部件，沉積時(shí)具有高的沉積速率和幾乎為近凈成形。優(yōu)化的工藝，包括熱源的布局，送絲的位置以及弧—激光的分離距離等均給予了研究。采用復(fù)合增材制造工藝比單獨(dú)使用PTA和單獨(dú)使用激光增材制造的優(yōu)勢(shì)要明顯的多。研究結(jié)果表明，同單獨(dú)使用PTA相比較，復(fù)合工藝拓展了能量的分布和熔池的尺寸，使得絲材有更多的時(shí)間同熱源進(jìn)行相互作用，從而可以產(chǎn)生更高的沉積速率。同單獨(dú)使用激光相比較，復(fù)合工藝具有更高的絲材熔化效率和絲材位置的精度更高。由于在兩個(gè)熱源處具有更多的能量分布，在復(fù)合工藝中形成匙孔的可能性就比單獨(dú)使用PTA要低得多。復(fù)合工藝的最佳配置是PTA作為先行的熱源結(jié)合前部的送絲一起工作。在這一配置中，PTA用來(lái)熔化原材料，激光用來(lái)控制熔池的尺寸，從而使得控制沉積速率和熔覆道的形狀進(jìn)行單獨(dú)控制變得比較容易。一套多層薄壁墻部件進(jìn)行了構(gòu)建來(lái)驗(yàn)證復(fù)合工藝的可行性，顯示了這一復(fù)合工藝進(jìn)行制造工程部件的可行性。結(jié)果表明復(fù)合工藝獲得的平板的熔道比較理想，波浪形比較低平，從而實(shí)現(xiàn)了近凈成形的目的。但該復(fù)合工藝的一個(gè)缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)底層進(jìn)行重熔。為了克服這一缺點(diǎn)，一個(gè)多熱源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更加均勻的能量分布的方案提出來(lái)來(lái)解決這一問(wèn)題。

圖1: (a)PTA-激光復(fù)合增材制造工藝的示意圖；(b) 該示意圖的側(cè)視圖，采用紅色的點(diǎn)線來(lái)顯示，示于圖（a）中.

成果簡(jiǎn)介：

能量直接沉積（DED）增材制造（AM）由于同傳統(tǒng)的鑄造，鍛造相比較，具有交貨時(shí)間短，材料浪費(fèi)少以及設(shè)計(jì)自由，柔性加工等優(yōu)點(diǎn)而在近年來(lái)得到了快速的發(fā)展。絲材DED增材制造技術(shù)同粉末AM技術(shù)相比較，具有沉積效率高和材料浪費(fèi)少的優(yōu)點(diǎn)，從而成為潛在的具有高沉積速率和近凈成形的優(yōu)點(diǎn)，從而在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如航空航天，能源電力等。取決于能量熱源的不同，絲材DED AM技術(shù)主要有三大類，分別是電子束自由成形增材制造，絲材激光增材制造，絲材電弧增材制造。電子束絲材AM由于需要在真空室中進(jìn)行操作，造成設(shè)備成本的投入相對(duì)比較大，低占空比和長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，由此造成該技術(shù)的應(yīng)用面相對(duì)比較窄。絲材激光DED技術(shù)是一種近凈成形技術(shù)，可以單獨(dú)控制激光功率和能量分布，從而使得該技術(shù)可以獲得穩(wěn)定的熔化和避免匙孔效應(yīng)的形成。然而，由于大多數(shù)金屬對(duì)激光的吸收率均比較低，要獲得高的沉積速率往往需要的激光功率會(huì)比較高。這就導(dǎo)致能量的分布變化比較大。因此造成加工成本比較高和反射的能量不好控制的問(wèn)題。在絲材電弧AM技術(shù)當(dāng)中，使用等離子體弧焊工藝，同激光相比較，由于具有高的能量轉(zhuǎn)換效率，具有較為理想的沉積速率（如以鈦合金為例，可以達(dá)到1kg/h），使得利用該技術(shù)制備大體積的部件成為可能。在原理上，在PTA工藝中幾乎不能再增加沉積效率了，但是，同絲材激光DED不同的是，幾乎不可能同激光一樣能量波動(dòng)會(huì)比較大。因此，在當(dāng)前需要高的沉積速率，如達(dá)到如同激光沉積的匙孔效應(yīng)條件下的高速率，從而限制了其沉積速率的進(jìn)一步增加。同絲材DED　AM技術(shù)和絲材激光DED增材技術(shù)相比較，可以發(fā)現(xiàn)每一個(gè)工藝都存在自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此，絲材PTA－激光復(fù)合AM　DED工藝的研究，結(jié)合兩者熱源的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)高的沉積速率，無(wú)缺點(diǎn)和近凈成形的概念應(yīng)運(yùn)而生。

圖２:　不同的配置和運(yùn)動(dòng)方向（使用粉色箭頭表示）：(a)絲材首先使用PTA進(jìn)行輻照， (b)絲材首先使用激光進(jìn)行輻照 。

對(duì)于電?。す鈴?fù)合AM技術(shù)，在過(guò)去的幾年里，只有很少的文獻(xiàn)給予了報(bào)道，并且大多數(shù)都是基于氣體保護(hù)焊（ gas metal arc (GMA)。這是因?yàn)镚MA工藝在路徑規(guī)劃上同鎢極電弧焊和PTA相比較，具有高的耐受性，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)在使用的時(shí)候消耗電極（即絲材）和火焰是同軸的．此外，其沉積速率相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較高，在單絲的時(shí)候就可以達(dá)到 3kg/h．在使用串聯(lián)工藝的時(shí)候，使用鋼鐵材料可以達(dá)到9.5kg/h．Nsstrm 等人曾經(jīng)研究了冷金屬轉(zhuǎn)移（cold metal transfer (CMT)）?。す鈴?fù)合AM工藝來(lái)沉積鋼，同僅僅使用CMT進(jìn)行沉積,CMT伴隨先導(dǎo)激光,CMT伴隨尾隨激光進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果發(fā)現(xiàn),CMT伴隨尾隨激光的配置提高了工藝穩(wěn)定性和由此提高了表面的粗糙度和形狀的穩(wěn)定性. Pardal等人則研究了引入能量激光作為CMT為基礎(chǔ)的絲材增材制造鈦合金的第二熱源．同CMT技術(shù)相比較,復(fù)合工藝可以起到穩(wěn)定電弧,導(dǎo)致熔覆道的形狀成形好和高的沉積效率.Zhang等人研究了GMA-激光復(fù)合AM制造鋁合金時(shí)得到了類似的結(jié)果.他們發(fā)現(xiàn)同GMA工藝相比較，部件的表面質(zhì)量在增加了激光進(jìn)行復(fù)合之后得到了顯著的提高，同時(shí)材料的利用效率還提高了15%．值得注意的是，上述的研究主要聚焦在GMA為基礎(chǔ)的AM技術(shù)在增加激光后對(duì)表面成形質(zhì)量的影響上.這是因?yàn)镚MA工藝的消耗電極是不穩(wěn)定的，從而導(dǎo)致表面粗糙度相對(duì)較差．此外，對(duì)于有些材料如鈦合金的工作功效比較低，陰極點(diǎn)不在某一點(diǎn)固定，電子會(huì)在較大的區(qū)域發(fā)射，導(dǎo)致電弧漂移．此外，鈦合金表面的表面張力比較大，導(dǎo)致液滴的離開(kāi)比較困難，從而容易在GMA工藝中形成比較大的飛濺．因此,采用GMA工藝沉積鈦合金的時(shí)候是比較困難的．然而，在電弧工藝中，非消耗電極的工藝如PTA和GTA，其電子的發(fā)射是從鎢極（熱離子發(fā)射）發(fā)射出來(lái)的，其電弧是穩(wěn)定的，從而造成該工藝在沉積鈦合金的時(shí)候是比較適合的．

圖 ３ (a) MES在配備一個(gè)PTA和兩個(gè)單獨(dú)的激光的配置圖， (b)三個(gè)能量源的相對(duì)位置，粉色箭頭顯示的是運(yùn)動(dòng)的方向．

Miao等人比較了GTA-激光復(fù)合增材制造技術(shù)沉積鋁合金部件后的顯微組織和機(jī)械性能,以及單獨(dú)使用GTA的部件進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果發(fā)現(xiàn)增加了激光之后會(huì)導(dǎo)致更加均勻的元素分布和細(xì)化的晶粒,其原因是加強(qiáng)的流體速度和在激光熱影響區(qū)的冷卻速率比較高.這就導(dǎo)致了顯微硬度的提高和強(qiáng)度的提高.Wu等人則研究了GTA-激光復(fù)合AM技術(shù)沉積 Al-Cu合金時(shí)的顯微組織和機(jī)械性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)晶粒比較細(xì)小， Cu元素的分布比單獨(dú)使用電弧時(shí)的每層要均勻的多．由此可以得出的結(jié)論是，大多數(shù)的出版的文獻(xiàn)關(guān)于電?。す鈴?fù)合AM制造主要集中在沉積材料的表面質(zhì)量或材料的標(biāo)準(zhǔn)上．然而，激光能量和電弧如何影響原材料的熔化（效率和沉積速率）和熔池的控制（再熔化和熔覆道的形狀）還未見(jiàn)報(bào)道，這些方面的研究對(duì)提高沉積速率和沉積部件最終的形狀至關(guān)重要．

來(lái)自英國(guó)的克萊菲爾德大學(xué)的研究人員則為大家展示了這方面的研究成果，這一成果發(fā)表在近期出版的期刊《Journal of Materials Processing Technology》上．

圖４:絲材的方向和先導(dǎo)的熱源對(duì)沉積過(guò)程和熔道形貌的影響，激光功率為7kW，電流為200 A c：(a) 絲材被PTA所熔化， (b) 絲材被激光所熔化. (c) 和 (d)則顯示的在條件 (a) 和 (b)是所得到的熔覆道的外形．其中粉色箭頭表示的是運(yùn)動(dòng)的方向．

在本研究中，PTA-激光復(fù)合AM工藝用來(lái)沉積Ti-6V-4V鈦合金.優(yōu)化的工藝參數(shù),包括激光和PTA熱源的配置，絲材的送進(jìn)方向，送絲位置以及電弧－激光的分離距離等，均進(jìn)行了研究．使用這一復(fù)合工藝的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)勝于單獨(dú)使用PTA和單獨(dú)使用激光,無(wú)論是從提高的效率和沉積效率上,均非常明顯.三個(gè)多層單道沉積薄壁墻進(jìn)行了沉積以評(píng)估其形狀精度和研究標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合沉積工藝所存在的缺陷.進(jìn)一步的提出一個(gè)新概念來(lái)使用電弧-激光復(fù)合AM工藝來(lái)克服所觀察到的局限性.這一多個(gè)能量源的辦法采用的是三個(gè)熱源來(lái)進(jìn)行復(fù)合沉積,分別是一個(gè)PTA和兩個(gè)分離開(kāi)的激光熱源，其優(yōu)點(diǎn)得到了進(jìn)一步的提升．

圖５　多層單道薄壁墻在不同的條件下所得到的橫截面，均呈現(xiàn)出良好的表面精度：(a) 薄壁墻 1: 4m/min, (b) 薄壁墻2: 6m/min, 和 (c) 薄壁墻 3: 8m/min

研究的主要結(jié)論

1,對(duì)同一功率，在PTA工藝的時(shí)候要比僅僅使用激光的時(shí)候,絲材可以吸收的能量更多.PTA-激光復(fù)合AM技術(shù)同單獨(dú)使用PTA和單獨(dú)使用激光進(jìn)行沉積相比較，可以獲得更高的沉積效率．同激光熱源相比較，復(fù)合工藝的沉積效率比較高得益于PTA和激光的優(yōu)勢(shì)的綜合．同PTA相比較,高的沉積速率歸因于復(fù)合工藝所造成的拓展的能量分布和熔池尺寸的增加,使得絲材的熔化效率更高.

2,在PTA 工藝中沉積速率受到限制是匙孔效應(yīng)形成造成的,而復(fù)合工藝的變化范圍可以顯著的由于激光的引入而得到拓展.這是因?yàn)榈偷幕‰娏骱陀纱嗽谕还β瘦敵龅臅r(shí)候,復(fù)合工藝只需要更低的電弧電壓和電弧壓力就可以實(shí)現(xiàn).

3,復(fù)合工藝的絲材的耐受度同絲材激光AM技術(shù)相比較得到了增加,這是因?yàn)镻TA熔化絲材的效率比較高的緣故.

4,PTA-激光優(yōu)化后的配置方案是PTA作為先導(dǎo)的熔絲，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的沉積工藝和與此同時(shí)得到良好的熔覆道形貌．

5,激光和絲材之間分離的距離是非常重要的．距離太短則會(huì)增加諸如形成等離子弧的損傷，而距離過(guò)長(zhǎng)則會(huì)造成過(guò)窄和兩個(gè)熔池之間的一定程度的分離．

6,通過(guò)使用兩個(gè)熱源，復(fù)合工藝可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的控制沉積速率和熔覆道的形貌．采用復(fù)合AM工藝沉積的多層薄壁墻樣品可以實(shí)現(xiàn)在高沉積速率的條件下進(jìn)行近凈成形．其熔覆道的寬度可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)．

7,PTA-激光復(fù)合工藝在沉積效率上還存在一定的缺點(diǎn),導(dǎo)致需要較高的再重熔過(guò)程.這是因?yàn)橛写罅康哪芰糠植荚诔练e的中心線上.為了克服這一缺點(diǎn),一個(gè)新的概念提出來(lái),使用多個(gè)能量熱源來(lái)解決,即引入兩個(gè)激光能量源位于PTA能量源的兩邊，且位置在PTA之后.采用這一辦法,其再重熔的比例可以顯著的得到改善.

文章來(lái)源：Wire based plasma arc and laser hybrid additive manufacture of Ti-6Al-4V,Journal of Materials Processing Technology,Available online 4 February 2021, 117080,