摘要

鋁元件的線材+電弧增材制造(WAAM)的最新進(jìn)展為其性能的進(jìn)一步增強(qiáng)提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。更多的研究是通過(guò)控制制造參數(shù)、線材性能、電弧模式和后處理來(lái)調(diào)節(jié)鋁件的顯微組織和機(jī)械特性。在本文中，我們選取了大量前人的研究成果，來(lái)研究提高WAAM鋁構(gòu)件機(jī)械性能的各種嘗試。討論了在鋁合金上應(yīng)用WAAM技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。本文的主要目的是對(duì)不同條件下沉積鋁構(gòu)件的機(jī)械特性進(jìn)行詳細(xì)的了解。

1. 介紹

鋁合金被廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品，包括飛機(jī)部件、航空航天部件和造船工業(yè)，與其他金屬相比，它們的強(qiáng)度與重量比較高，因此需要超塑性。具有超塑性的產(chǎn)品材料是特別設(shè)計(jì)的，以提高機(jī)械性能和成形性能。許多制造技術(shù)如擠壓，軋制，鍛造，攪拌鑄造，攪拌摩擦加工和不同的工藝已經(jīng)被采用來(lái)制造，提高和得到超塑性產(chǎn)品材料。

近年來(lái)，許多研究人員采用增材制造(AM)工藝制造鋁構(gòu)件。與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，它們有一些獨(dú)特而有趣的優(yōu)勢(shì)。在這些優(yōu)點(diǎn)中，通過(guò)添加沉積材料的連續(xù)層來(lái)創(chuàng)建組件，只需使用制造組件所必需的材料，就可以減少材料浪費(fèi)。以焊機(jī)為熱源的AM工藝具有成本低、質(zhì)量好、效率高、靈活性好等特點(diǎn)。AM的其他好處包括降低工具成本，更好的組件質(zhì)量，對(duì)環(huán)境的影響更小。此外，AM技術(shù)通常用于獲得復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)。圖1展示了一些用AM工藝制作的鋁產(chǎn)品。

圖1 部分鋁產(chǎn)品采用WAAM工藝制造。

在大尺寸零件的制造過(guò)程中，消除成本和節(jié)省時(shí)間是WAAM所能代表的基本好處，這使得WAAM在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。與從固體中切割相比，原料重量與產(chǎn)品本身的比例要低得多，盡管不像其他AM技術(shù)那樣低。另外，產(chǎn)品尺寸是強(qiáng)度的一個(gè)基本點(diǎn)，也受到機(jī)械手可達(dá)到的工作體積的限制。用這種工藝制造的鋁合金零件無(wú)尺寸限制，且取決于焊接設(shè)備。

利用AM工藝制造并改善鋁件的性能進(jìn)行了多項(xiàng)研究。選擇性激光熔化(SLM)和選擇性激光熔化(WAAM)是這些工藝中最常用的技術(shù)。主要步驟和構(gòu)建過(guò)程開始創(chuàng)建一個(gè)CAD模型，轉(zhuǎn)換和切片后，逐層構(gòu)建。SLM使用粉末床和激光束作為熱源來(lái)制造產(chǎn)品。SLM已被用于制造鋁蜂窩晶格結(jié)構(gòu)，具有多種產(chǎn)品，如振動(dòng)阻尼器、電池電極收集器和隔熱。用SLM制備的結(jié)構(gòu)質(zhì)量通常由粉末性能、熔化參數(shù)和結(jié)構(gòu)幾何形狀決定。

充滿顆粒氣凝膠的半透明雙層玻璃窗示意圖。

基于SiO2 NPs的氣凝膠的典型尺寸范圍為10-100 nm，用于限制半透明窗口的熱損失(上圖)。杰出的絕緣和光學(xué)性能已報(bào)告與雙層玻璃半透明窗。事實(shí)上，氣凝膠窗的熱損失甚至比三e玻璃窗和不透明的隔熱層還要低。氣凝膠可以通過(guò)多種工藝獲得。通常，NPs被用作生產(chǎn)這些氣凝膠的原料。

大尺寸零件的制造與合理的制造時(shí)間相結(jié)合，要求較高的沉積速率。這導(dǎo)致了一些妥協(xié)，如表面質(zhì)量和階梯效果。因此，AM技術(shù)不能提供凈形零件或低精度的大尺寸零件。這些缺點(diǎn)造成加工時(shí)間長(zhǎng)，材料浪費(fèi)大。整個(gè)部分需要由襯底支撐，襯底應(yīng)由與所用饋線兼容的材料制成。

2. 鋁合金采用WAAM技術(shù)

利用WAAM成功制備了(2xxx)系列、(4xxx)系列和(5xxx)系列鋁合金。然而，由于(6xxx)系列和(7xxx)系列存在缺陷和熔池不穩(wěn)定，使用WAAM技術(shù)制造(6xxx)和(7xxx)系列存在困難。研究發(fā)現(xiàn)，只有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和大尺寸的部件，WAAM工藝在經(jīng)濟(jì)上優(yōu)于傳統(tǒng)的制造工藝。

工業(yè)PH鋁合金的加工步驟順序和組織發(fā)展。

在鋁WAAM工藝中，每臺(tái)焊機(jī)都可以作為熱源，但最常用的是鎢極氣體保護(hù)焊(GTAW)、氣體保護(hù)焊(GMAW)、冷金屬轉(zhuǎn)移焊(CMT)和等離子弧焊(PAW)。由于在WAAM過(guò)程中，材料應(yīng)在同一方向內(nèi)連續(xù)流動(dòng)，所以偏愛GMAW。因?yàn)閷?dǎo)線被鼓勵(lì)通過(guò)，火炬，它可以一直保持正常的與襯底。不同的是，在GTAW和PAW工藝中，材料的投料方向可以改變，使工藝描述更加復(fù)雜。因此，對(duì)[53]鋁合金采用GMAW焊接工藝是比較合適的。

在GMAW工藝中，工件的金屬與焊條之間形成電弧，焊條為自耗線。導(dǎo)線通過(guò)GMAW設(shè)備直接進(jìn)入基體表面。GMAW有四種金屬轉(zhuǎn)移方式:噴涂、脈沖噴涂、短路和球狀。每種模式都具有與焊接設(shè)備、電極類型和焊接電源相關(guān)的獨(dú)特特征。GMAW有一個(gè)改進(jìn)的過(guò)程叫做CMT。通常采用焊接機(jī)器人來(lái)完成焊接過(guò)程，采用具有可控制的切入轉(zhuǎn)移模式的機(jī)構(gòu)。CMT具有高沉積速率和低熱輸入，因此它被廣泛應(yīng)用于AM的應(yīng)用，特別是鋁制品。

GTAW焊接工藝參數(shù)圖。

GTAW工藝是最常見的鈦焊接工藝之一，因?yàn)檫@為焊工提供了一個(gè)高水平的控制過(guò)程，以避免缺陷的形成和提供一致的質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，GTAW的過(guò)程窗口是由焊接電流范圍和形成無(wú)缺陷焊縫所需的移動(dòng)速度來(lái)定義的，并避免在高移動(dòng)速度下由于流動(dòng)不穩(wěn)定而引起的局部滲透、欠切或駝峰，如上圖所示(Short, 2009)。

與GMAW工藝不同，PAW和GTAW具有非消耗性焊條用于焊接。所述填充絲通過(guò)所述電弧以面向所述襯底表面的可變方向饋電。沉積方向的變化影響了沉積產(chǎn)物的特性和質(zhì)量。GMAW和PAW之間有一些區(qū)別。在等離子弧中，隨著溫度的升高，電弧有一個(gè)較窄的區(qū)域，使熔珠相對(duì)較窄。PAW電弧的熱輸入比GMAW電弧的熱輸入增加了兩倍，使焊縫尺寸減小，且在高行程速度(TS)下減小。

3.鋁合金WAAM應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

零件材料的設(shè)計(jì)對(duì)其在惡劣條件下的承受能力有重要影響，特別是在飛機(jī)和航空航天零件中。該部件的任何故障都將導(dǎo)致此應(yīng)用程序的不良后果。WAAM工藝造成的一些缺陷，如孔隙度、殘余應(yīng)力和變形、裂紋和組織不均勻等，是需要消除的主要挑戰(zhàn)。這些缺陷的發(fā)生可能與熱積累引起的熱變形、參數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致的熔池不穩(wěn)定、編程策略不良、環(huán)境影響(如氣體污染)和機(jī)器故障有關(guān)。

等通道正向擠壓(ECFE)工藝示意圖。

氣孔缺陷是限制WAAM技術(shù)在鋁構(gòu)件制造中的應(yīng)用的基本因素。采用WAAM工藝制備的鋁合金的氣孔與采用熔焊方法制備的鋁合金的氣孔相似，其氣孔形成的主要原因是氫氣。在所制造部件的凝固過(guò)程中，在固-液界面處，新近創(chuàng)建的固相將飽和的氫排斥到液相中。由于氫的累積量，它在液體中的溶解度超過(guò)了極限。鋁的高導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致熔池從底部向中心快速凝固。鋁WAAM工藝中氫的主要來(lái)源是填充絲。金屬絲表面可能含有一些雜質(zhì)，如油脂、碳?xì)浠衔?、水分等，這些雜質(zhì)在汽化后可轉(zhuǎn)化為原子氫，然后被熔池中的鋁液吸收。與焊接相比，WAAM產(chǎn)生的鋁件中的氫氣孔難以控制，因?yàn)樘畛浣z進(jìn)入焊接池的體積較大。

分層是一種由鉆削引起的層間破壞現(xiàn)象，是鉆削復(fù)合材料層合板時(shí)公認(rèn)的主要損傷之一。刀具設(shè)計(jì)直接影響分層的發(fā)生。下圖為分層損傷示意圖及分層區(qū)域計(jì)算。

(A)剝離、推起分層現(xiàn)象的機(jī)理;(B)鉆孔面積為所鉆孔;(C)分層區(qū)域識(shí)別;(D)基于損傷面積的分層計(jì)算。

沉積的部件暴露在幾次熱膨脹和收縮過(guò)程中，產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形。它們的發(fā)展機(jī)理與熔焊相似。WAAM過(guò)程在生產(chǎn)的部件上引起熱循環(huán)，導(dǎo)致先前制造的層的部分熔化和非等溫加熱。這是WAAM技術(shù)逐層構(gòu)建機(jī)制的結(jié)果。殘余應(yīng)力對(duì)沉積構(gòu)件有許多不能完全避免的影響。它們會(huì)引起構(gòu)件變形、層合損失、斷裂和疲勞阻力降低。當(dāng)殘余應(yīng)力大于零件材料的極限強(qiáng)度時(shí)，如果殘余應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度(YS)，低于極限抗拉強(qiáng)度(UTS)，則會(huì)導(dǎo)致材料斷裂或塑性變形。

裂紋缺陷特別適用于采用WAAM技術(shù)生產(chǎn)的鋁制品。WAAM技術(shù)不僅導(dǎo)致了這一現(xiàn)象，而且還與鋁合金的性能有關(guān)，如較寬的凝固溫度范圍、晶粒結(jié)構(gòu)和合金元素。它可以是材料內(nèi)部的晶界裂紋或凝固裂紋，這取決于材料的凝固性質(zhì)。當(dāng)晶粒組織粗大，晶界含有粗大的第二相顆粒時(shí)，會(huì)發(fā)生凝固裂紋。在鋁構(gòu)件的WAAM過(guò)程中，當(dāng)晶界含有低熔體時(shí)，會(huì)引起熱裂紋。層與層之間材料的不完全熔化會(huì)導(dǎo)致另一種類型的裂紋，稱為分層或分離。其中最大的損傷缺陷之一是微孔，微孔會(huì)導(dǎo)致鋁構(gòu)件強(qiáng)度和韌性下降，導(dǎo)致疲勞失效。據(jù)報(bào)道，微孔隙可作為裂紋萌生和擴(kuò)展的場(chǎng)所。它可以提高應(yīng)變集中，導(dǎo)致材料屈服和斷裂。

不同水遷移距離和LWA體積百分比對(duì)保護(hù)水泥漿體體積的影響。

材料在焊接過(guò)程中經(jīng)歷了一個(gè)復(fù)雜的熱循環(huán)。這意味著,上述物質(zhì)將暴露在快速加熱融化溫度引起的焊接設(shè)備生成的能量,然后快速凝固在移動(dòng)熱源后,和幾個(gè)加熱和逐步加溫過(guò)程中產(chǎn)品的沉淀一層一層地建造。因此，WAAM沉積材料的每一層產(chǎn)生的相沒(méi)有平衡成分和不均勻的微觀組織(粗晶和細(xì)晶)。這使得WAAM制品的成分和微觀結(jié)構(gòu)建模變得更加困難和具有挑戰(zhàn)性。

本文著重介紹了WAAM技術(shù)制備的鋁構(gòu)件的性能。表1列出了試圖改善WAAM制造的鋁部件性能的不同發(fā)表文章的比較，并提供了一些建議，以限制各種工業(yè)應(yīng)用中使用WAAM技術(shù)制造鋁合金所面臨的挑戰(zhàn)。同時(shí)，本文也有助于研究人員和制造商指出近年來(lái)鋁合金性能的改進(jìn)及其應(yīng)用。

表1 對(duì)最近發(fā)表的不同文章的比較。

4. 提高WAAM鋁制件的質(zhì)量

要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品所要求的目標(biāo)，最重要的問(wèn)題之一就是產(chǎn)品制造工藝的選擇。WAAM工藝近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于鋁零件的制造中，但仍有許多缺陷需要進(jìn)一步研究。采用WAAM工藝制作的鋁件需要進(jìn)行后處理，以消除產(chǎn)生的缺陷(氣孔、殘余應(yīng)力和變形、裂紋)，提高材料性能。沉積質(zhì)量的問(wèn)題可以通過(guò)應(yīng)用適當(dāng)?shù)暮筇幚韥?lái)消除。為了優(yōu)化WAAM參數(shù)，并找出這些缺陷的局限性，提高材料性能，開展了多項(xiàng)研究。本節(jié)將重點(diǎn)介紹應(yīng)用的后處理和WAAM參數(shù)的優(yōu)化，以提高WAAM制造的鋁構(gòu)件的質(zhì)量。表2列出了應(yīng)用后處理來(lái)提高WAAM制造的鋁構(gòu)件質(zhì)量的不同調(diào)查的比較。

表2 應(yīng)用后處理消除缺陷的不同調(diào)查的比較。

后處理熱處理被廣泛應(yīng)用于消除殘余應(yīng)力。在決定采用后處理熱處理時(shí)，應(yīng)考慮材料的特性及其應(yīng)用。熱處理后，上部微孔數(shù)密度降低17.1%，下部微孔數(shù)密度降低23.9%，但平均孔徑增大。采用高溫固溶處理可以消除元素的偏析，提高元素的溶解度，從而提高合金的性能。

層間軋制會(huì)受到軋輥施加的壓力的影響，從而產(chǎn)生較大的應(yīng)變。每一沉積層都經(jīng)歷層間軋制過(guò)程。原子氫的吸收是由于大量的真空、位錯(cuò)和引入的應(yīng)變引起的。Gu等研究了不同軋制載荷(15、30和45KN)下層間軋制對(duì)兩種不同鋁絲孔隙形成的影響。他們證明，層間滾動(dòng)導(dǎo)致扁平化的孔隙，以扁球形。加載45kn后，孔隙消失。分離的原子氫被困在位錯(cuò)中，從而導(dǎo)致滾動(dòng)。Sun等研究了激光沖擊強(qiáng)化對(duì)2319鋁合金殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明:在100 MPa左右，殘余應(yīng)力狀態(tài)由拉伸狀態(tài)變?yōu)閴嚎s狀態(tài);這種組合策略提供了更多的質(zhì)量控制。

5. 提高WAAM鋁件的性能

該方法制備的鋁構(gòu)件的機(jī)械性能和顯微組織有待進(jìn)一步提高，以供工程應(yīng)用。更多的研究是通過(guò)控制制造參數(shù)，線材性能，電弧模式，以及應(yīng)用后處理來(lái)調(diào)節(jié)WAAM制造鋁件的組織和機(jī)械特性。工藝參數(shù)的選擇是電弧添加劑加工零件材料性能的一個(gè)重要方面。應(yīng)確定工藝參數(shù)，以達(dá)到評(píng)價(jià)所得產(chǎn)品機(jī)械性能和顯微組織特征的最佳設(shè)置。研究人員進(jìn)行了幾項(xiàng)研究，以評(píng)估沉積電流、TS和送絲速度(WFS)對(duì)鋁構(gòu)件的影響，如下部分所述。Su等研究了熱輸入(調(diào)節(jié)WFS和TS)對(duì)ER5356絲CMT工藝制備的al - mg合金組織的影響。通過(guò)改變熱輸入，合金中出現(xiàn)了α相(Al)和β相(Al3Mg2)兩種次生相，形成了細(xì)小的等軸晶，而不是大柱狀晶。斷口形貌顯示，試樣具有典型的韌窩斷裂特征，如圖2所示。隨著WFS的減小或TS的增大，單位面積韌窩的數(shù)量和尺寸減小/增大。

圖2 試樣不同位置斷口的SEM圖像。

研究了TS(150、250、350、450 mm/min)對(duì)waam加工2219鋁合金機(jī)械性能和顯微組織的影響。結(jié)果表明:隨著溫度的增加，熱輸入減小，凝固速度加快，等軸晶粒的體積分?jǐn)?shù)和尺寸減小;當(dāng)溫度從150 mm/min增加到350 mm/min時(shí)，復(fù)合材料的UTS和YS分別增加了11.58%和11.96%，而當(dāng)溫度進(jìn)一步增加到450 mm/min時(shí)，復(fù)合材料的UTS則下降，這主要是由于復(fù)合材料的冷卻速度過(guò)快所致。當(dāng)TS從150 mm/min增加到450 mm/min時(shí)，El增加了45.45%。顯微硬度值的讀數(shù)也隨晶粒形貌的變化而變化，如圖3所示。

圖3 幾個(gè)TS值下的顯微硬度值的讀數(shù)。

Su等人使用WAAM-CMT工藝，通過(guò)三種不同的沉積策略(Line 90°、Cycle Line 90°和Line 45°)制備了4043 al - 5si合金組件。他們?cè)u(píng)估了這些策略對(duì)合金組織和拉伸性能的影響。結(jié)果表明，所有的沉積組分具有相同的相組成，但根據(jù)所采用的策略，每個(gè)沉積組分都有自己的層尺寸、晶粒尺寸和Si形貌。沉積策略導(dǎo)致的冷卻速度導(dǎo)致了不同的顯微組織特征和不同的Si形貌。結(jié)果表明，45°線法沉積的材料強(qiáng)度較高(UTS為223.2 MPa, YS為141.8 MPa)，伸長(zhǎng)率較低(El為10.6%)。這與它們較細(xì)的晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。

Ma等研究了CMT設(shè)備工藝增材制造的205A鋁件的拉伸行為、氣孔特征、a-Al晶粒和Al2Cu相的影響。優(yōu)化的工藝參數(shù)為:TS為0.3 m/min，進(jìn)給速度為4.5m/min，電壓為12.1 V，電流為84 a，層間停留時(shí)間為30 s。高的凝固速度使沉積部位的a- Al晶粒細(xì)化程度更高。結(jié)果表明，205A鋁構(gòu)件可以在不產(chǎn)生裂紋的情況下制備，Al2Cu相的細(xì)化程度較低，增強(qiáng)了抗拉強(qiáng)度，如圖4所示。但孔隙度較高的微尺度球形孔隙(3.51%)是塑性輕微退化的主要原因。

圖4 (a)代表性拉伸曲線(b)微觀組織形貌的SEM圖像。

在另一項(xiàng)研究中，利用變極性-CMT(純CMT、CMT+Pulse (CMTP)和VP-CMT)設(shè)備和層間等待時(shí)間研究了Al-6Mg合金構(gòu)件的組織和機(jī)械特性。與其他電弧模式相比，VP-CMT模式可使柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶和細(xì)化晶，這是因?yàn)樵撃Ｊ娇山档蜔彷斎?，提高機(jī)械性能。所制備的Al-6Mg合金零件的UTS比標(biāo)準(zhǔn)的Al-6Mg合金增加了2.77%。但拉伸性能在橫向和縱向上呈各向異性，其范圍為8-27%，如圖5所示，這是由微孔造成的。Ayarkwa等進(jìn)行了一項(xiàng)研究，評(píng)估了電極正時(shí)間周期(% EP)對(duì)ER5556鋁線的微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械行為和氧化物去除的影響。結(jié)果表明，較高的EP值使晶粒尺寸明顯增大，但不影響其機(jī)械性能。

圖5 不同拉伸方向的UTS及其各向異性百分比。

金屬絲材料在提高堆焊件性能方面具有重要作用，因此應(yīng)專門開發(fā)用于控制該堆焊件的機(jī)械行為、組織特征和化學(xué)成分的材料。WAAM沉積組件滿足其目的的效率很大程度上受線材性能的影響。更多的研究是使用之前制備的填充線來(lái)使用WAAM沉積零件。

Gu等利用al - cu4.3 - mg1.5組合物制造了一種金屬絲，并將其作為CMT工藝制造組件的填充材料。研究了熱處理前后沉積零件的性能。主要結(jié)果顯示，沉積態(tài)成分組織具有等軸晶、分層分布的枝晶和數(shù)量較少的柱狀晶，如圖6(a-c)所示。第二相顆粒(θ + S)沿晶界呈網(wǎng)狀分布，但T6熱處理后共晶相溶解，如圖6(d)所示。熱處理后的顯微硬度(161.4 HV)比熔敷后提高51%。熱處理后的UTS和YS在縱向上分別提高了66%和116%。機(jī)械性能顯著改善的原因是S '析出物的高密度析出，盡管拉伸性能因微孔缺陷的形成而呈各向異性。

圖6 As-deposited部分微觀結(jié)構(gòu);(a)一般視圖金相圖;(b,c) (a)中的封閉區(qū)域被放大。(d) T6熱處理后的零件組織。

向ER2319 Al（Al-6.3%Cu）沉積組分中添加預(yù)定量的鎂可增強(qiáng)其強(qiáng)度性能（UTS:280MPa，YS：水平方向從156 MPa增加到187 MPa，El:8.2%–6%），與未添加鎂（UTS:237，YS:112，El:10.7%）相比，塑性降低。通過(guò)建立雙WAAM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鎂元素的添加。采用鋁銅ER2319線和鋁鎂ER5087線作為填充材料，實(shí)現(xiàn)了該工藝。通過(guò)控制送絲速度，制備了不同成分的Al–Cu–Mg成分。結(jié)果表明，沉積組分具有非均勻分布的顯微組織特征，由細(xì)小的等軸晶和粗的柱狀晶組成。如圖7中沉積零件的XRD結(jié)果所示，在低Mg和高Cu含量下，強(qiáng)化相從Al2CuMg轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2Cu+Al2CuMg。顯微硬度隨Cu/Mg比的增加而增加，加入Mg元素可提高顯微硬度。讀數(shù)分別為86、90和95 HV，比率為3.6Cu/2.2 Mg、4Cu/1.8 Mg和4.4Cu/1.5 Mg，與Bai等人獲得的值（77.5 HV）相比，顯微硬度有所提高。

圖7 (a) 3.6Cu/2.2 Mg時(shí)的XRD譜圖;(b) 4銅/ 1.8毫克;(c) 4.4立方/ 1.5毫克。

Wang, sual等人利用ER5356線采用CMT技術(shù)制備Al-Mg合金構(gòu)件時(shí)，在中間層中添加Ti粉。結(jié)果表明，加入Ti粉后，Al3Ti相形成，柱狀晶粒在層間轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒，晶粒尺寸得到細(xì)化，如圖8所示。垂直和水平方向的拉伸性能均得到改善，硬度提高了5 ~ 10 HV。

圖8 (a)無(wú)Ti的WAAM構(gòu)件層間組織; (b) 用Ti以后。

另一項(xiàng)改善CMT沉積零件性能的研究是采用后熱處理。從上到下，各組分的微孔形態(tài)和數(shù)量變化明顯。A357合金的拉伸性能接近于各向同性。熱處理后的鋁基體形成納米顆粒，提高了合金的強(qiáng)度和顯微硬度。2024鋁合金鍍層通過(guò)固溶處理(485℃，498℃，503℃)，保持90 min，水淬后自然時(shí)效(室溫下48 h)提高了鍍層性能。如圖9所示，在503℃固溶處理溫度(UTS: 497 MPa, YS: 330 MPa, EL: 16%，顯微硬度143HV)下，合金的機(jī)械性能有所提高，使沉積的構(gòu)件滿足應(yīng)用要求。

圖9 (a)顯微硬度，(b)不同條件下的拉伸性能。

將層間軋制工藝作為鋁件WAAM的后處理工藝，會(huì)影響鋁件的顯微組織;原始粗大的晶粒變形為非常精細(xì)的晶粒。軋制WAAM合金通過(guò)晶粒細(xì)化、亞組織和高密度位錯(cuò)引起的變形得到強(qiáng)化。Al-Mg4.5-Mn合金通過(guò)采用可變軋制載荷(15,30和45KN)的層間軋制引起的變形獲得了良好的機(jī)械性能。屈服應(yīng)力、UTS和平均顯微硬度分別提高了69%、18.2%和40%。變形過(guò)程后，組織中粗大的晶粒變得更加細(xì)化。晶粒細(xì)化強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和變形強(qiáng)化是主要的強(qiáng)化機(jī)制。

6. 結(jié)論及未來(lái)工作

綜上所述，鋁件WAAM技術(shù)是飛機(jī)、航空航天等工業(yè)應(yīng)用中需要大規(guī)模采用的重要制造工藝。有充分的證據(jù)表明，這種增強(qiáng)的性能和消除的缺陷可以通過(guò)使用適當(dāng)?shù)闹圃靺?shù)和后處理的沉積組件提供。對(duì)于未來(lái)的工作，根據(jù)上述文獻(xiàn)總結(jié)出以下展望和結(jié)論:

1，造成鋁合金WAAM缺陷的主要原因是參數(shù)選擇不當(dāng)、編程策略不佳和熔池不穩(wěn)定。

2，此外，還存在材料性能不一致、沉積部位缺陷廣泛、成形不均勻等缺陷。

3，結(jié)果表明，CMT工藝是對(duì)GMAW工藝的一種改進(jìn)，是一種較好的鋁WAAM工藝。

4，低熱輸入和層間軋制、熱處理等后處理，消除了殘余應(yīng)力、變形和微孔分布數(shù)量。

5，后處理技術(shù)的應(yīng)用對(duì)解決WAAM制造鋁合金的難題有很大的幫助。但是，工藝參數(shù)的優(yōu)化仍然是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，因?yàn)樾枰獌?yōu)化的參數(shù)很多。因此，在WAAM過(guò)程中，需要利用人工智能方法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)沉積參數(shù)。

6，熱輸入的減少導(dǎo)致凝固速率的增加，導(dǎo)致等軸晶粒的體積分?jǐn)?shù)和尺寸減小。

7，VP-CMT技術(shù)使柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶和細(xì)化晶，降低了熱輸入，提高了鋁合金的機(jī)械性能。

8，此外，金屬絲材料的性能對(duì)WAAM沉積構(gòu)件的機(jī)械性能有很大的影響

9，在沉積構(gòu)件中加入預(yù)先確定的適量的元素，如鎂或鈦粉，可提高構(gòu)件的強(qiáng)度性能。

10，背靠背的建造策略被提出作為一個(gè)可能的過(guò)程，以消除變形和殘余應(yīng)力平衡。

基于上述展望和結(jié)論，盡管近年來(lái)鋁的WAAM領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展。但仍存在一些挑戰(zhàn)，需要研究人員進(jìn)一步完善。這些挑戰(zhàn)表現(xiàn)在材料性能的不一致、沉積部分的廣泛缺陷和缺乏構(gòu)建均勻性。有些問(wèn)題需要進(jìn)一步調(diào)查:

?垂直方向的性能(各向異性)有待研究人員進(jìn)一步改進(jìn)。

?此外，研究WAAM工藝沉積的鋁構(gòu)件的性能需要更多的分析爆炸、調(diào)查和詳細(xì)解釋。

?利用人工智能方法對(duì)WAAM工藝因素進(jìn)行優(yōu)化，以提高WAAM工藝制備的鋁件的性能。

?電弧穩(wěn)定性、表面沉積的形成、電壓和電流的測(cè)量波動(dòng)以及制造的熱歷史需要更多的分析來(lái)研究它們對(duì)WAAM工藝的影響。

?線材內(nèi)和線材上的氫含量必須用合適的技術(shù)進(jìn)行分析，因?yàn)樗卿X合金中氣孔形成的原因。

?線材的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)氣孔率和電弧穩(wěn)定性有一定的影響，因此，線材的微觀結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步研究。

來(lái)源：Enhancing the properties of aluminum alloys fabricated using wire +arc additive manufacturing technique - A review，Journal of MaterialsResearch and Technology，doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.04.076

參考文獻(xiàn)：Z. Huda, P. Edi，Materials selection in design of structures and engines ofsupersonic aircrafts: a review，Mater Des, 46 (2013), pp. 552-560