本文研究了金屬線激光增材制造中Ti6Al4V墻體的轉移模式效應。關鍵詞：激光線材制造工藝 動態(tài)監(jiān)控 墻面質量

在航天、航海、武器制造等大型制造中，要達到一定的效力，所需的材料是非常龐大的。用傳統(tǒng)的方式制造，機器不僅體積大，而且很重。不僅不利于作業(yè)，更容易出現(xiàn)各種故障。

多年來，科研人員一直致力于在制造飛機、輪船等過程中使用輕質和高電阻金屬合金的增材制造，這就不得不提到一種特殊的鈦合金——Ti6Al4V。這是一種國標鈦合金，它兼有α及β兩類鈦合金的優(yōu)點。塑性好，可耐熱 （可400℃在長期工作）、抗腐蝕能力很強。

Ti6Al4V墻體圖片

2021年3月份，《Manufacturing Letters》雜志公布了一項研究成果。成果顯示，合適的制造設置和工藝參數(shù)對制備15層鈦合金壁具有良好的幾何和顯微性能。本文就通過分析熔池、激光源和焊絲三者之間的相互作用，從而建立穩(wěn)定、光滑的沉積過程。

研究過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

?監(jiān)測金屬傳遞動力學有助于了解變量設置。

?表面張力傳遞方式能產生平滑、規(guī)則的沉積。

?這種轉移方式可以增強幾何壁和金屬組織。

實驗的初衷

增材制造是一種制造技術，通過在基板上添加額外的材料來構建3D組件。航空航天行業(yè)市場可以從輕質和高電阻金屬合金的增材制造中獲得很大的好處。作為粉末的替代品，可以使用金屬絲作為原料，目的是在由熱源產生的熔池中熔化金屬絲。與粉末沉積相比，線材增材制造可實現(xiàn)更高的沉積速率、具有可忽略的材料浪費的全致密組件、更少的健康和安全預防措施，并且可以使用激光或廉價和商用弧焊機進行。

不同類型的熱噴涂絲及帶芯絲的制作方法。

熱噴涂進料材料以重量為基礎的大部分都用作絲材。這是因為實際上所有基于陰極保護的防腐材料都是鋅和鋁。金屬絲火焰噴涂和電弧噴涂是僅使用金屬絲材料的工藝。導線可以是實心導線，也可以是管內含有各種增材的管狀導線，稱為帶芯導線，見上圖。實心線材是通過從材料中拉絲來制造的，這些材料將使這種線材制造過程成為可能。近幾年來，帶芯電線的使用變得越來越普遍。這些金屬絲可以由高合金鐵、鎳或鈷基合金制成。其原理是一種薄而有韌性的金屬，如不銹鋼帶，用于制備管狀線材，該金屬管中填充有合金元素和/或硬質顆粒，如WC或其他碳化物，然后將帶材加工成帶芯線材。

研究人員不僅開發(fā)了一份工藝圖，預測不同建筑條件下的工藝行為，同時證明了送絲系統(tǒng)和基板之間的相對位置影響傳輸模式。在研究中，人們發(fā)現(xiàn)，在激光加工過程中，隨著功率和送絲速度的增加或焊接速度的降低，晶粒尺寸增大。

送絲過程的實驗裝置。

比如，研究人員研制了一種實驗室送絲裝置，用于送絲ALM的基礎研究。它主要由一個最大功率為3.5 kW的Trumpf HLD 3504 Nd:YAG桿激光器(二極管泵浦)、一個Weldaix送絲器和一個Kuka KR 100 HA(高精度)六軸機器人組成。在一個打開的盒子中，從其基座處永久性地浸沒氬氣，將具有超低間隙(ELI級)的Ti-6Al-4V焊絲沉積在Ti-6Al-4V襯底上。（見上圖）

此外，對工藝監(jiān)控系統(tǒng)進行了改進，并實現(xiàn)現(xiàn)場自動調整，以調整刀具和工件之間的相對位置，并補償工藝條件中不需要的大偏差。Liu 等人使用光學光譜儀分析了不同焊接條件下羽流中的等離子體發(fā)射強度和電子溫度，從而推斷出工藝穩(wěn)定性的條件。

熱絲和冷絲熔覆層的截面和表面形貌隨激光功率和掃描速度的比值而變化。

如上圖，低電壓不能加熱接近熔點的導線，導致導線從基板上掠開。另一方面，過高的電壓會熔化導線尖端，導致電弧。在導線末端形成的液滴可能會爆炸，導致飛濺。

總之，工藝設置已經證明影響沉積的特征，并確保過程穩(wěn)定和零件的良好質量。需要探索一種系統(tǒng)有效的過程開發(fā)方法。

本文通過實時觀察熔池動態(tài)，科學地調整工藝設置和工藝參數(shù)，對線材激光增材制造(WLAM)工藝過程進行監(jiān)控，以保證過程更加穩(wěn)定。目前的工作可以很好地理解過程，并為工業(yè)界和學術界提供了一種方法，以更好地科學批判過程的意識來調整和改進他們的實施過程。

實驗過程

該裝置包括一個Binzel推推送絲系統(tǒng)，一個三軸計算機數(shù)控(CNC)機床和一個激光系統(tǒng)。

層壓試驗是在一個測試模具上進行的，該模具使用了一種早期的賽車機頭工具。這些試驗允許開發(fā)一個立管板，該立管板將添加到每個工具的法蘭上，以生成一個圓形的加強邊緣。在CNC布線過程中，該功能通常作為周界“槽”并入工具中，但由于CNC成本和時間問題，在這些工具上被刪除。

激光器由一個波長為1070nm的光纖激光器組成，最大功率為3kw。光學排列由200毫米的聚焦透鏡和100毫米的準直光學組成，導致光學放大系數(shù)為2。由于輸送纖維的芯徑為0.15 mm，束腰處的光斑直徑約為0.3 mm。金屬絲沉積的襯底由一個6mm的Ti6Al4V板組成，用四個夾子固定在工作臺上。該過程使用兩個過程攝像機進行監(jiān)控。一個離軸攝像機用于監(jiān)測熔池動態(tài)和金屬轉移，而另一個攝像機與激光光學同軸，檢查激光束路徑和饋電方向之間的對齊。一個排煙器被用來從這個過程中提取氣體排放。

使用Lax-Wendroff格式對例14.2的數(shù)值解，C = 0.5， Δx = 0.02

上圖為為Lax Wendroff格式正弦函數(shù)的精確數(shù)值解。觀察兩個正弦曲線的數(shù)值解相對于精確解是不相的。解與精確曲線之間的相位差是正弦曲線波長的函數(shù)。同時，耗散也是波長的函數(shù)。不同波長的正弦函數(shù)以不同的速度傳播。我們知道任何周期函數(shù)都可以表示為傅里葉級數(shù)級數(shù)中不同的項以不同的速率傳播也經歷一定的耗散。這會導致原始函數(shù)的失真。

所采用的材料為退火態(tài)的Ti6Al4V鈦合金。化學成分和熱物性(導熱系數(shù)和熔化溫度)列于表1。

表1 接收材料的化學成分和熱物理性能(重量%)。

研究進行了初步的板珠試驗，如激光功率(200、300、500、800、1000 W)、光斑直徑(1,1.4 - 2 mm)、移動速度(5,8,10 mm/s)和送絲速度(10,13,15 mm/s)。

采用穩(wěn)定條件構建多層線性墻體。本文展示的15層墻，P = 300 W,BD = 1 mm, TS 8 mm/s, WFS 15 mm/s。

所有的珠子從相同的方向沉積，并根據(jù)之前沉積層的高度相應地向上移動，設定一定的高度增量(z-offset)。特別的是，在搭建最終演示器的墻體時，z偏移量為0.7 mm。送絲角度設置為與水平面30°。

檢查珠子，垂直于沉積方向橫截面，用標準研磨程序拋光，并用Keller的試劑溶液(1%HF, 1.5% HCl, 2.5% HNO3和95% H20)進行化學蝕刻。用光學顯微鏡觀察微球的形態(tài)。分別對基材、墻體基材和墻體建筑方向進行了維氏顯微硬度測試。

實驗結果

過程動態(tài)評價

圖1 不同的過程動力學在a)表面張力驅動沉積和b)液滴沉積。

圖1顯示了在現(xiàn)場過程監(jiān)測期間捕獲的兩種不同的圖像。送絲方向、激光-材料相互作用機制和金屬傳遞動力學等因素影響著加工過程的穩(wěn)定性和工件的質量。在加工前設置正確的配置也是至關重要的，因為在焊絲尖端和熔池邊緣之間的相對位置對于工藝穩(wěn)定性和確保沉積對噪聲、熔池振蕩和動態(tài)干擾的容忍是至關重要的。

圖1a顯示了在表面張力模式下進行的沉積，也可以稱為光滑沉積。金屬絲在表面張力的驅動下連續(xù)進入熔池，與固體邊界上的附著力相比，其粘結力占主導地位。由此產生的沉積的頂表面將是光滑的，沿路徑的高度和寬度不變，這是由沉積層的均勻性所證實的。圖1b為向熔池中添加液滴的沉積過程，可稱為重力金屬轉移。金屬絲尖端被熔化并不斷增長，直到其重量超過了內聚力，并與金屬絲的其余部分分離，并在焊接池中合并。

液界面和液體分子受力平衡。

上圖顯示了作用于表面分子的合力(也稱為內聚力)是朝向主體方向的一個非零量。液體的分子由于引力而結合在一起。在液體的大部分中，對任何分子的所有引力之和平均為零。這是為了增加表面積而必須抵消的力。這個過程所消耗的能量叫做表面能。水滴是球形的，因為在給定的體積下，在所有形狀中，球體的表面積最小。液體的表面張力和表面自由能相等，而固體的表面張力和表面自由能不相等。

首選的是表面張力模式，因為它允許實現(xiàn)一個穩(wěn)定的過程，平滑地沉積每一層，這是保證精度和低粗糙度的組件的基礎。這一條件源于金屬絲相對于熔池和激光束的合適相對位置，以及能量供應和填充金屬體積之間的良好平衡。焊絲在熔池前緣饋電，不與激光束相互作用，在熔池區(qū)域熔化，能量分布較高，熔滴沉積規(guī)律。

幾何和材料特性

圖2 用于演示的墻a)和橫截面形態(tài)學b)。

圖2顯示了在表面張力驅動條件下，作為演示墻建造的方面。圖2a為試件壁。鍍層光滑，無不規(guī)則性，減少了后處理加工的需要。圖2b為管壁的橫截面，可以觀察到其冶金和幾何特征。幾何形狀在幾十毫米范圍內呈規(guī)則形狀。

沉積體的微觀結構呈現(xiàn)各向異性(圖3b)。在沉積過程中，晶粒呈柱狀，沿最高的熱梯度方向生長。晶粒中含有小晶粒片層狀α + β組織，在管壁構建過程中發(fā)生馬氏體轉變。在垂直于建筑物的方向上可以觀察到不同的邊界，這可以用金屬凝固過程中的等溫轉變來解釋。

圖3 維氏顯微硬度(a)和顯微組織(b-d, 40×)。

圖3a顯示了基材和壁材的維氏顯微硬度。母材的硬度達到327 HV(微觀結構如圖3d所示)。在基片壁根處，硬度升高到373 Hv，熔合區(qū)形成，迅速冷卻，形成非平衡顯微組織，其中包含較小的α片層，并出現(xiàn)馬氏體相變(圖3c)。在構建方向上，硬度達到峰值434 HV，即最終壁高的一半，此時凝固過程中形成了間隙雜質，馬氏體相變過程中晶粒尺寸較小。

用所開發(fā)的測量系統(tǒng)得到的一個掃描表面的例子。黑線表示覆蓋在表面上的沉積路徑。外輪廓珠的圓角邊緣錯誤地復制。

上圖顯示了用所開發(fā)的測量系統(tǒng)獲得的三維輪廓的一個例子。該表面覆蓋有機器人的沉積路徑。從圖中可以看出，所有區(qū)域的外輪廓珠的高度提取都不正確。因此，即使在受控的情況下，外輪廓珠也以公稱工藝參數(shù)沉積，即當熔體池到達輪廓珠時，ILC關閉。

一些有利于后續(xù)繼續(xù)研究的結論

? 實時監(jiān)測熔池和金屬轉移模式有助于了解過程動態(tài)。

? 表面張力轉移模式使金屬沉積光滑而有規(guī)律。

? 對采用表面張力模式得到的15層壁材的幾何性能和金屬組織進行了分析和評述。

來源：Transfer mode effects on Ti6Al4V wall building in wire laseradditive manufacturing，Manufacturing Letters,doi.org/10.1016/j.mfglet.2021.03.001

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