高强铝合金电弧增材制造的研究进展(2)
时间：2024-08-22 09:22 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
2.2.1 孔洞缺陷
高强铝合金WAAM过程中孔洞缺陷是面临的重大挑战之一［2］。许多因素可能会影响孔隙率，包括送丝速度、行进速度和熔滴过渡模式［41］。同时，基板和丝材的清洁程度、焊丝表面质量、保护气体清洁度和焊接工艺参数等会影响电弧稳定性，进而形成孔洞缺陷［40］。一般来说，孔洞缺陷分为基材引起和工艺引起。基材引起主要包括无法完全去除的水分、油脂和其他杂质，污染物很容易吸收到熔池中并在凝固后产生孔洞。因为氢在固体和液体中的溶解度相差很大，即使在液态铝中有少量的溶解氢，在凝固后也可能超过溶解度极限，导致氢气孔产生。工艺引起的孔洞往往是非球形的，主要是不良的路径规划或不稳定的沉积过程导致的，容易产生熔化不足或者飞溅喷射，进而形成间隙或孔洞。
与纯铝相比，高强铝合金由于Mg，Zn等合金元素的加入而导致了氢元素的最大溶解量发生改变［42-43］，而且Mg，Zn等元素熔点低易挥发，这使得WAAM高强铝合金孔洞缺陷难以调控。Bai等［44］研究了热处理对2319增材材料孔洞的影响，结果发现孔洞并没有消除，而是沿着层间位置发生了增加。由上可知，控制和消除增材构件的孔洞缺陷非常复杂。目前控制和消除孔洞缺陷的方法主要为以下三个方面：（1）优化丝材质量。优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。降低丝材表面粗糙度［41］，去除丝材表面的油脂、水分等氢源头的碳氢化合物［45］。（2）优化工艺参数。调控合理工艺参数，包括优化保护气体、降低热输入、优化热源［46］、调整熔滴过渡形式［47］和主动调控层间温度［48］等。（3）辅助能量场或复合增材技术。采用激光-电弧复合工艺［49］、超声波辅助电弧［50］、层间冷轧［51］、层间锤击［52］和层间搅拌摩擦加工［53］等复合增材制造技术。
2.2.2 裂纹
凝固裂纹是铝合金WAAM过程中的典型缺陷，高强铝合金的裂纹敏感性较高，在所有的增材方式中都无法完全避免［54］。铝合金具有宽泛的凝固温度范围以及晶界液化的存在，高热源导致高冷速，使得易于产生凝固裂纹。根据Gu等［55］的研究，在沉积合金中增加铜的含量能一定程度地降低凝固裂纹的敏感性。Ouyang等［56］认为粗大的晶粒和晶界位置第二相的偏析是加剧WAAM凝固裂纹敏感性的主要原因。由于层间固体熔化不充分而导致相邻层分层或者分离也是常见明显缺陷，无法通过后处理或者热处理技术去消除，但可以通过遵循适当的工艺参数来避免。由此可见，优化合金成分、避免凝固过程元素偏析、细化晶粒和调整适当特征参数是消除高强铝合金裂纹的主要途径。
2.2.3 残余应力
WAAM过程需要多个不均匀的加热和冷却循环，在高热输入导致晶粒粗大等组织问题的同时，还会产生残余应力和变形等形状问题，残余应力包括微观层面和宏观层面的应力。目前的研究发现增加热输入可有效地降低残余应力［57］，与之相反却增加了热变形量。往往薄壁构件的纵向残余应力较大，导致在基板和构件界面处残余应力由拉应力转变为压应力，这与薄板弧焊产生的残余应力相似。目前WAAM导致残余应力的关键因素包括［58］：空间温度梯度、热膨胀与收缩、应变兼容性、力平衡与应力-应变本构模型。
3 高强铝合金WAAM性能优化手段
目前，辅助方法在WAAM中被广泛应用来改进高强铝合金形性质量，性能优化主要方法包括：材料设计（成分设计、双丝/多丝/热丝WAAM、微观结构设计）；凝固后处理（热处理、机械、超声、激光喷丸）；凝固过程中组织调控（复合热源、异质颗粒、超声辅助、层间冷却、工艺参数辅助优化）；复合增材制造方法（层间冷轧、机械锤击、搅拌摩擦加工、铣削）等。
3.1 材料设计
事实上，铸造等传统加工技术在大型高强航空航天铝合金构件的制造过程中面临铸造性能差、买飞比高等挑战［59］，因此越来越多研究人员开始研究高强铝合金在WAAM应用的可行性。第一个挑战是焊接用商业高强铝合金焊丝在熔焊过程中容易出现热裂纹和气孔，严重影响强度、延展性等性能［60］。另一个挑战是高强铝合金丝材的生产极其困难，因为在拉丝过程中加工硬化和沉淀强化非常强，传统拉丝工艺往往会发生断丝而无法加工。目前为止，WAAM生产的高强铝合金有两种方法：一是多丝共熔［61-62］，二是自制原料［46，63-64］。Yu等［61］采用三丝共熔ER2319，ER5356和Zn来优化高强铝合金，由于成分不均匀而表现出典型的各向异性，水平和垂直抗拉强度为241 MPa和160 MPa。Klein等［46］开发了一种新型高强铝合金焊丝Al-3.6Zn-5.9Mg-0.3Cu并用CMT进行制造，沉积后进行两级时效处理，抗拉强度达到477 MPa。Guo等［63-64］开发了7B55-Sc焊丝，在增材过程中Al3（Sc，Zr）颗粒在凝固过程中作为异质形核促进等轴晶的形成，细化了显微组织。在增材后进行T6热处理后水平抗拉强度高达618 MPa，被认为是WAAM制造600 MPa级铝合金的突破。这使得多丝共熔原位制备高强铝合金成为了新的发展思路，而且可以通过调控丝材的种类和送丝速度达到制备设定合金成分的铝合金以及梯度铝合金。
除了采用不同的热源进行增材制造之外，国内外学者还通过改善不同的送丝设备、熔滴过渡状态和热输入来优化沉积过程。WAAM制造的铝合金往往由于高的热输入和温度梯度形成粗大的晶粒和第二相，这使得性能下降［61，65］。因此，通过减少电弧热输入来细化晶粒是一个重要的优化手段［66］。热丝电弧增材制造技术（HWAAM）是一种基于WAAM的新型制造方法，可以获得综合性能良好的零件［67］。HWAAM的原理是在WAAM系统的基础上增加了电阻电源，电阻电源的正极通过滑块连接至丝材，负极连接至基板，当丝材送进熔池时电路连通，电阻产生的电阻热会加热丝材。热丝不仅能够辅助焊丝熔化，提高沉积效率，而且能够减少电弧能量输入，促进柱状晶向等轴晶转化。Fu等［67］采用HWAAM成功制备了致密度为99.64%的2024铝合金，并且抗拉强度达到399 MPa。
3.2 凝固后处理
对于热处理强化的铝合金，WAAM后进行热处理已经成为了通用的处理手段，往往采用T6热处理实现沉淀强化作用来提高抗拉强度和均匀微观组织［68-69］，同时能够减少残余应力。Li等［69］对7系WAAM构件进行了T6热处理，结果显示T6处理可以减少第二相的数量和尺寸，并且元素均匀分布，硬度、抗拉强度和延伸率都有了很大的提升。然而值得注意的是，对于精密铝合金WAAM构件的热处理过程，会发生快速冷却导致的变形控制，甚至会出现开裂的可能性，严重影响构件的精准度和性能。因此，选择合适的冷却材料和针对材料属性的特殊热处理工艺值得去开发。
除此之外，国内外学者还对凝固后构件进行了机械热处理，包括热锻和喷丸等，不过目前只针对于钢铁材料［70-72］。锻造工艺可以将压缩塑形引入到增材零件中，从而黏合空隙，启动晶粒细化，消除或减少纹理并改善表面光洁度。喷丸同样能使材料表面发生塑性变形来诱导晶粒细化，显著提升疲劳寿命和强度。对于需要特殊服役要求的高强铝合金，对构件表面进行特殊处理能够一定程度提高抗腐蚀性、抗摩擦磨损和抗疲劳等，因此值得开发适合高强铝合金的机械热处理。
3.3 凝固过程中组织调控
复合热源的焊接技术在材料连接上已经实现了很好的应用。近年来为了扩大WAAM的可行性，解决热量累积导致的晶粒尺寸过大的问题，一些新型复合WAAM技术得到了使用。Bai等［73］发现采用单一TiG沉积的2219铝合金的晶粒尺寸约为50 μm。Cong等［47］采用了一种先进的冷金属过渡脉冲（CMT-PADV）工艺有效地消除了孔隙，细化了晶粒，抗拉强度和延伸率得到了提升。激光电弧复合是可以将高能激光和适应性强的TIG结合在一起的高效、高质量的工艺，由于激光电弧的协同效应，激光热输入可细化小孔中的晶粒实现高冷却速率，进而提高力学性能［74］。Wu等［49］采用新型激光-TIG复合增材制造技术成功制备了无裂纹、孔隙少的2219铝合金，熔池分为了上部的电弧区（AZ）和下部的激光区（LZ），在激光的搅拌作用下晶粒更加细小，元素分布更加均匀。Liu等［75］创新开发了脉冲激光电弧复合工艺，并进行了热处理，成功制备了强度高达602 MPa的Al-Zn-Mg-Cu铝合金。通过常规电弧电流波形上添加并调节超声频率脉冲电流，可以实现超声频率脉冲电弧热源。调频超声脉冲电弧已应用于金属熔焊工艺，具有增强电弧力、减少气孔缺陷、细化晶粒等优势。Cong等［76］采用传统的可变极性（VP）和超声频率脉冲可变极性（UFVPP）的TIG电弧模式进行了2024铝合金的制造，减少了孔隙，并且强度和元素均匀性得到了提升。
由于WAAM的固化行为，仍然存在孔隙和颗粒的团聚问题。基于声空化和流动效应，超声波能量已经用于传统熔焊工艺。近年来，相关学者在超声波辅助（UA）增材制造方面进行了研究。Wang等［50］将超声波探头直接浸入局部熔池并在沉积电弧后面随进，成功制备了7075与TiB2纳米复合材料。结果显示，在UA的影响下，孔隙率低，凝固结构精细，纳米粒子团聚分散较少。随后，Wang等［77］进一步开发了UA的HWAAM工艺，制备了TiB2纳米颗粒增强的7075铝合金。在热丝和超声波的协同效应下，获得了更低孔隙率、分布更均匀的纳米粒子和更强的力学性能。
与引入能量场辅助晶粒细化、添加微量元素改善晶界成分、加工硬化和热处理迫使溶质元素重新分布促进强化相析出等强化方法相比，添加陶瓷颗粒到高强铝合金作为异质形核点，可以抑制晶界偏析，同时细化晶粒。目前研究学者对颗粒增强WAAM进行了大量研究［78-86］，陶瓷颗粒主要为TiC，TiN和TiB2等。表1 ［50，77-86］为不同增强颗粒对高强铝合金性能的影响。Fu等［82］制备了含TiC纳米颗粒的7075铝合金丝材，TiC颗粒可以与位于晶界的第二相结合，同时可以作为异质形核点促进形核率，最终获得了细小的等轴晶组织，沉积态强度提升至435 MPa。靳鹏等［87］为了消除Al-Cu合金WAAM出现的柱状晶和晶界偏析等缺陷，提出了TiC颗粒低频振动辅助添加对2219铝合金WAAM强韧化的方法，从根本上改善了结晶过程，抑制了偏析和气孔缺陷的产生。
表1
WAAM由于能量输入不集中，冷却速率要低很多，能量部分通过先前沉积的层消散到基体，部分通过对流和辐射散射到环境空气，随着构件高度的增加，基板的传导热阻显著增加，直至热输入和散热达到平衡时稳定［88-89］。一方面，热量累积不仅会减慢熔池的凝固速度，使得焊道比预期更宽，严重影响几何精度、材料利用和生产率［89］。另一方面，对于沉淀强化的高强铝合金，凝固范围广，冷速对凝固裂纹的敏感性是非常显著的。同时，层间温度对促进动态析出过程至关重要。因此，Geng等［90］指出适当的层间温度控制和热输入调节是在自下而上的增材制造过程中实现和保持统一的热边界条件的有效办法。Li等［91-92］开发了一种基于热电冷却技术的过程主动冷却系统，使得上层散热可以达到与下层相同的水平，不仅能提高最大送丝速度（9%~15%），还可以减少层间停留时间（42%~45%），整体效率提升0.97倍以上。Dong等［93］通过控制层间温度研究了Al-Zn-Mg-Cu合金在WAAM过程中微观结构与层间温度之间的复杂关系，结果显示较高的层间温度会导致孪生枝晶取向分布不均匀、细晶粗化以及大角度晶界的增加，高的层间温度有助于加速动态析出过程，但非常有限。
3.4 复合增材制造方法
为了克服增材制造和传统制造工艺的缺点和工艺限制，工业界和学术界开发了制造工艺的复合方法。根据国际生产工程科学院（CIRP）的定义，复合制造工艺基于同时且受控的工艺机制/能源/工具的相互作用，对工艺性能具有显著影响［94］。近年来，增材工艺与其他生产方法结合使用，以实现最终零件所需的材料特性、设计和尺寸公差［95］。目前，研究者已经对高强铝合金复合增材制造工艺（hybrid-AM）进行了研究，主要包括层间冷轧、机械锤击、搅拌摩擦加工（FSP）和铣削等增等减制造。典型的层间复合增材制造方法如图6 ［40，52-53］所示。
图6
在每个沉积层进行辊压已经证明可以减少残余应力和变形［51］，不仅可以降低残余应力，还可以带来更均匀的组织和性能，显著降低微观结构地各向异性。同时，轧制过程会产生高密度位错，这些位错可以作为原子氢吸收的优先位点［96］以及氢扩散管道，允许扩散到表面，因此当层间冷轧时可以减少甚至消除构件中存在的孔隙。Gu等［36，68，97］研究了层间轧制和沉积后热处理对孔隙率的影响，极大地减少了气孔数量，性能得到了提升。Hönnige等［40］研究了垂直层间轧制和沉积后侧轧对WAAM生产的2319铝合金单壁墙的影响，垂直层间轧制改变了单壁墙中的残余应力，并且消除了变形，同时促进了材料的自然时效。
层间锤击是近年来提出的另外一种新型复合技术，相比于层间轧制，无需与重型设备组装以提供更大的连续静压，但可以与工业机器人很好地结合，实现更高的加工自由度，瞬间冲击力实现高的塑性变形，应变率高，适合曲率小或薄悬垂结构部件。Fang等［52］自主研发了气动锤击装置实现了2319铝合金构件的层间变形，50.8%变形样品的抗拉强度增加到334.6 MPa。除此之外，采用激光喷丸、超声波冲击等层间处理已经在钢和钛等金属上得到了应用，但还未在高强铝合金增材得到实践。需要改进的是，超声和激光等冲击处理对固态金属影响非常有限，受到穿透深度的限制，超声冲击的穿透深度最多为表面以下60 μm，因此，虽然作为很好的后处理手段，但效果甚微。
在增材制造工艺中引入层间塑性变形可以在细化晶粒的同时提高位错密度，从而提高构件的性能。目前，搅拌摩擦加工（FSP）和搅拌摩擦沉积增材（AFSD）已经在材料改性和材料制造方面取得了重要的成果，作为新兴的金属固相加工技术，可以完全避免熔化增材的固有缺点。因此，创新性地将FSP复合WAAM具有其独特的优势。Wei等［53］通过复合WAAM-层间FSP（WAAM-IFSP）工艺制备了2319铝合金零件，在搅拌区（SZ）获得精细的微观结构，有效消除孔隙。随后该课题组［98］采用同样的方法制备了Al-Zn-Mg-Cu，SZ区域显示出高达504 MPa的抗拉强度。Yuan等［99］采用WAAM-IFSP制造了2319铝合金，获得了由交替的晶粒形态的周期性微观结构，具有23.2%的高伸长率。表2 ［36，40，49-50，52-53，68，75-77，83，97-102］总结了层间复合增材制造技术对组织和性能的影响。由此可见，在层间引入塑性变形为制备高强铝合金提供了新的发展方向。
表2
3 未来发展趋势
在过去的20年中，WAAM已经广泛应用于众多工业领域复杂零部件的制造，其主要应用领域之一是航空航天业，该行业使用大量高比强度和比刚度以及出色机械加工性能的高强铝合金。然而，增材工艺在高强铝合金中的适用性仍然受到较大的限制。尽管多年来大量的研究工作致力于最大限度地减少或者消除这些缺陷，但总的来说还仅仅处在起步阶段，提高WAAM构件的形性和扩大高强铝合金的应用范围是个巨大的挑战。
（1）WAAM高强铝合金综合评价体系。目前的研究主要集中在通过减少缺陷和细化晶粒进行强度评价，但航空航天更高的安全性要求对高强铝合金零件破损的剩余强度，以及初始裂纹到临界裂纹扩展的寿命提出了明确要求，因而对WAAM高强铝合金的疲劳裂纹扩展速率、断裂韧性、抗应力腐蚀性能等同样提出了更高的综合要求，迄今为止这方面的研究较少。
（2）WAAM用高强铝合金成分设计和丝材研发。特定WAAM部件需要满足其最终用途的特定性能，性能-微观结构-合金成分密不可分。WAAM意味着高温熔化循环，而铝合金的挥发性元素往往损失严重，并且添加微合金化元素对高强铝合金的强度和耐腐蚀性能提升至关重要。通过“过度合金化”策略解决元素挥发问题，纳米陶瓷颗粒复合材料铝合金丝材替代协同性差的层间添加工艺。定制WAAM材料和WAAM用颗粒增强复合材料焊丝将在未来增材工业环境的发展中受到高度重视。
（3）WAAM高强铝合金热处理制度。WAAM逐层热输入会形成时效不均匀的构件，往往底层为过时效状态。因此，为了寻求均匀分布的微观组织，宜采用定制热处理以提高特征性能。同时还需要考虑合金元素、纳米形核颗粒和层间变形处理等的影响，充分考虑电弧热自时效和热处理变形等因素，研发高效和低成本的热处理制度。
（4）复合增材制造技术的协同性。复合增材制造工艺目前仅停留在探索阶段，将多个离散操作集成到一个新的装置上进行单区域加工具有很高的难度。同时，复合增材过程中组织和性能的演化机理以及塑性变形的影响机理鲜有报道，其本质作用机理和影响节点尚不明确，例如塑性下压量与沉积单层高度的协同、机械变形与层间温度的协同、预变形后沉积层与热处理制度的协同等。因此，复合增材制造技术的协同优化和热-力-形-性的本构关系还需进一步探索。
来源：王树文,陈树君,赵骐跃,等.高强铝合金电弧增材制造的研究进展[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.
(责任编辑：admin)
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