李 靜，程 寶，李 靜，費新卓

(1.中國空間技術研究院西安分院，西安 710000；2.西安鉑力特增材技術股份有限公司，西安 710000)

0 引言

大型收發(fā)共用天線廣泛應用于航天載荷中，為解決無源互調(diào)問題，饋源安裝板與天線輻射杯采用了一體化集成設計。某天線單個杯體和安裝板尺寸為 270 mm×630 mm×730 mm，7個組陣后輪廓為270 mm×1 800 mm×1 900 mm，這種超寬超厚的材料需單獨定制，制料周期長且材料成本昂貴。在零件加工過程中一旦出現(xiàn)孔洞、裂紋等材料缺陷，或出現(xiàn)加工超差、過切等不可修復問題，都將直接導致零件報廢。因此在制造此類零件時制造風險、成本風險都非常大。

電弧增材制造(wrie arc additive manufacturing，WAAM)是以電弧為熱源，采用逐層堆焊的方式快速成型致密度高、力學性能好的金屬復雜構(gòu)件，其成形效率高、原材料利用率高、成本低，具有開放的成形環(huán)境，適用于大尺寸復雜構(gòu)件快速成形[1-2]。該技術在大型整體結(jié)構(gòu)制造中優(yōu)勢突出，尤其在大型飛機、航天飛行器等大結(jié)構(gòu)零件制造中應用前景廣闊[3-5]。電弧增材是一種開放的柔性加工方式，可解決超大零件材料制備受限問題。此外WAAM在一定程度上有產(chǎn)品修復的可行性，可降低因材料、加工等缺陷而造成報廢的風險。

文章通過電弧增材成型單個饋源杯體的工藝試驗，摸索WAAM在解決航天超大零件成型的可行性，為后期超大一體化饋源杯體的制造提供制造經(jīng)驗。

1 工藝試驗件及技術途徑

1.1 工藝試驗件

天線饋源杯體試驗件材料要求為鋁合金，材料最小抗拉強度要求大于200 MPa。試驗件外形輪廓為270 mm×630 mm×730 mm，六邊形杯體高242 mm，壁厚3±0.2 mm，中間腹板底厚2 mm，腹板上重要安裝面平面度0.02 mm，表面粗糙度Ra1.6，零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)饋源杯體正面 (b) 饋源杯體背面

1.2 技術途徑

從材料成本、加工周期及材料利用率等方面考慮，此次工藝試驗采用在鋁合金板料上WAAM單個杯體后，再通過機械加工成型零件的技術途徑。為確保試驗件一次成功，各關鍵重要環(huán)節(jié)都是先開展試驗測試，通過試驗測試解決技術問題，并總結(jié)相關工藝參數(shù)后，再對工藝試件加工。試驗件加工過程中根據(jù)監(jiān)測的狀態(tài)，適用性的微調(diào)工藝參數(shù)。技術流程如圖2所示。

圖2 技術途徑

2 電弧成型過程

2.1 生產(chǎn)前準備

2.1.1 電弧材料與基板材料

電弧材料決定了熔覆層的性能。如果電弧材料與基板的熔點、比重、熱脹系數(shù)、導熱系數(shù)差異較大，界面潤濕性不好，熔覆層與基板結(jié)合處可能出現(xiàn)缺陷，如氣孔、裂紋、未熔合等[6]。按西安鉑力特公司多年的測試及加工試驗，本次成形用電弧絲材料為ER2319鋁合金焊絲，基板材料為2219鋁合金鍛件，這兩種材料的物理匹配性非常好，可有效的減少熔合過程中的缺陷，兩種材料的化學成分如表1所列。成形過程中采用99.99%Ar氣作為保護氣體，氣體流量為15 L/min。

表1 化學成份

2.1.2 成形路徑規(guī)劃

電弧成型路徑直接影響成型質(zhì)量和成型精度，合理的路徑可獲得更高精度，把自適應路徑間距和復合式填充路徑結(jié)合起來，更能滿足實際生產(chǎn)需要[7]。本次研究先通過設計不同的成形路徑，試制單個杯體縮比結(jié)構(gòu)，并對其成形質(zhì)量進行對比分析，最終制定出合適的零件成形路徑。

1)分區(qū)域連續(xù)短直線成形路徑如圖3所示：圖3(a)所示為分區(qū)成形的沉積路徑，沉積順序為①→②→③→④→⑤→⑥，即采用斜邊對稱的方式進行成形。其成形結(jié)果如圖3(b)所示，其優(yōu)點是算法簡單且填充比高，且對稱方向受力均勻。缺點是各區(qū)域銜接處易堆積，且相鄰區(qū)域的搭接存在未搭上，在搭接區(qū)域成形質(zhì)量較差。

(a)沉積路徑 (b)沉積實物圖

2)分區(qū)成形路徑如圖4所示：圖4(a)所示為分區(qū)成形的沉積路徑，沉積順序為①→②→③→④→⑤→⑥，其中①、②和③為連續(xù)成形，④、⑤和⑥為連續(xù)成形。其成形結(jié)果如圖4(b)所示?？梢钥闯鲞B續(xù)成形的區(qū)域質(zhì)量較好，但①和⑥、③和④搭接處仍沒有完全搭接上，成形質(zhì)量較差。

(a)沉積路徑 (b)沉積實物圖

3)輪廓成形路徑如圖5所示：圖5(a)所示為輪廓成形的沉積路徑，沉積順序由外而內(nèi)為①→②→③。其成形結(jié)果如圖5(b)所示。這種成形優(yōu)點一是減少了空行程效率較高，二是沒有搭接區(qū)域避免了搭接不上的問題。從沉積實物圖可以看出，其成形質(zhì)量較好，但在沉積過程中發(fā)現(xiàn)溫度過高，導致有塌陷出現(xiàn)。后期可在沉積過程中通過嚴格控層間溫度避免塌陷。

(a)沉積路徑 (b)沉積實物圖

通過以上成形路徑的比對測試，對于六邊形結(jié)構(gòu)的杯體采用輪廓成形路徑會好于其它的成形路徑。試驗件采用了輪廓成形路徑，并將起弧點、熄弧點設置到零件輪廓之外。同時使相鄰層(第n層與第n+1層為相鄰層，n≥1)的成形路徑相反，以此來減少塌陷缺陷，成形路徑如圖6所示。

(a)第n層 (b)第n+1層

2.2 過程問題及解決

生產(chǎn)前對杯體進行了縮比結(jié)構(gòu)設計及測試，并制定出試驗件的成形路徑。因?qū)嶋H產(chǎn)品要遠大于縮比結(jié)構(gòu)，縮比結(jié)構(gòu)測試過程不能完全模擬出產(chǎn)品的實際熱力分布，因而在生產(chǎn)初期就出現(xiàn)了因熱力原因?qū)е碌拈_裂。開裂出現(xiàn)在基板與電弧成型接合面的六邊拐角處，如圖7所示。

圖7 零件失效圖

經(jīng)過分析，認為造成零件失效的原因主要有以下幾個方面：

1)基材2219經(jīng)過固溶+時效處理后強度高，沉積態(tài)的ER2319強度低。在沉積過程中兩者變形不同步，同時基板結(jié)構(gòu)剛度也遠遠大于沉積層，因而在收縮應力下結(jié)合處被拉裂。

2)起弧端、熄弧端引到零件外部，采用輪廓成形路徑避免了起、熄弧點的缺陷，卻導致了焊縫應力過大。

3)大尺寸薄壁結(jié)構(gòu)在沉積過程中應力不斷疊加，當收縮應力累積大于結(jié)合處強度時，結(jié)合點便會發(fā)生開裂。

4)正六邊形拐角處未做圓弧過渡處理，導致此處產(chǎn)生應力集中，累積應力超過結(jié)合處強度，因而在此處開裂。

綜上所述，開裂主要是杯體強度不足、結(jié)合處應力過大而產(chǎn)生，因而針對提高強度降低應力采用了如下措施：

1)增大零件前幾層的沉積寬度，提高零件與基材結(jié)合處的剛度。

2)饋源杯體拐角處進行圓弧過渡處理，有利于減少應力集中。

3)減少零件成形時的起、熄弧點，避免搭接缺陷，減少應力集中。

4)研究表面基板預熱有助于形成良好的堆焊層，當起弧處溫度達100 ℃時可形成均勻的魚鱗紋[8]。本次采用了在基材非零件打印區(qū)域沉積試樣塊，達到對基材進行預熱的目的。

根據(jù)提出的解決方法重新規(guī)劃了零件成形路徑，如圖8所示。成形過程中，起、熄弧點置于零件外側(cè)，且每一層路徑方向進行輪換，減少應力集中。

圖8 試驗件成形路徑2

根據(jù)新的路徑規(guī)劃再次進行了縮比件成形測試，測試結(jié)果顯示焊縫鋪展及搭接良好，無肉眼可見缺陷。故可以進行零件的成形，成形過程中干伸長保持在10～15 mm，層間溫度控制在100 ℃以下，單道偏移量為3 mm，總沉積90層，高度達到250 mm，平均層高為2.78 mm。零件成形過程如圖9所示。

圖9 試驗件成形過程照片

2.3 成型后熱處理

試驗件成形后的熱應力較大，不利于后期控制機械加工變形。通過固溶+時效可提高堆積金屬的抗拉強度[9]，也可以消除熱應力。根據(jù)試驗本次采用如下熱處理參數(shù)：1)固溶：采用535±3 ℃保溫1 h，水淬工藝參數(shù)；2)時效：采用175±3 ℃保溫18 h工藝參數(shù)。

3 機械加工過程

饋源杯體結(jié)構(gòu)剛度較弱，電弧增材成形又引入了較大的熱應力，因而在機械加工過程中需要特別解決如下問題：

1)熱應力消除：底板基材與電弧增材相接部分熱應力較為集中，容易發(fā)生加工變形。

2)弱剛度薄壁變形控制：試驗杯體壁厚3 mm，高度240 mm且無加強筋，屬于典型的弱剛度結(jié)構(gòu)，加工過程中由于剛度弱易導致側(cè)壁顫動發(fā)生讓刀或過切。

3.1 機械加工生產(chǎn)流程

根據(jù)毛坯成型特點，在工藝流程設計中特別增加了毛坯探傷、毛坯強度檢測、先行測試件試加工、多次時效去應力等環(huán)節(jié)，機械加工工藝流程如圖10所示。

圖10 工藝流程圖

3.2 材料超聲波探傷

電弧增材過程中有可能出現(xiàn)材料缺陷，超聲波探傷可檢測出氣孔、裂紋等缺陷[10]，這對提前發(fā)現(xiàn)材料缺陷有幫助，通過超聲波探傷初步判斷產(chǎn)品無直徑大于φ2 mm的氣孔及裂紋。

3.3 材料力學性能測試

試驗件毛坯由2219基材、ER2319電弧增材兩部分材料組成，各部分的力學性能不同，在加工前先從產(chǎn)品上取部分樣件進行了力學測試。樣件分3種，分別為基材2219板料、電弧成型的沉積層ER2319、基材與沉積層接合面，樣件測試結(jié)論如表2所列。力學樣件顯示，在基材與沉積層的結(jié)合處抗拉強度最低，基材的抗拉強度最高。

表2 力學測試結(jié)果

3.4 先行測試件加工

先行測試件主要是摸索薄壁加工變形控制，選用了性能最接近的2系鋁合金。杯體壁厚3 mm，高242 mm，在銑削時會因剛度弱而產(chǎn)生顫動。采用石蠟輔助加固方式可以提高薄壁件的剛度，減少工件在加固過程中的受力變形，從而提高工件加工精度[11]。先行測試件按先內(nèi)后外、分多步留量銑削并時效處理、輔助石蠟支撐的加工方式，初步確定了加工流程、刀具參數(shù)、銑削參數(shù)等，有效的控制了薄壁變形問題。先行件測試件加工過程照片如圖11所示。

圖11 測試件加工過程照片

3.5 機械加工問題及解決

按先行測試件的加工流程及加工參數(shù)，對工藝試驗件進行了機械加工。由于測試件與產(chǎn)品材料和尺寸不同，試驗件在半精加工時出現(xiàn)了質(zhì)量問題，主要是杯體頂部顫刀明顯導致表面粗糙度差，尺寸控制較難等問題。改進措施為：

1)杯體頂部顫刀是因為頂部石蠟填充不實降低了剛度，改進采用了底部石蠟填充，靠近頂部用工業(yè)橡皮泥填充，改進后解決顫刀問題。

2)尺寸控制較難主要是受結(jié)構(gòu)影響，由于杯體壁薄剛度弱，再加上之前熱處理不到位導致熱應力和加工應力釋放不夠。通過增加熱處理次數(shù)，優(yōu)化銑削參數(shù)解決了尺寸精度問題。

對試驗件的主要尺寸及形位公差進行了檢驗，除杯體壁厚3±0.2 mm實測為2.7～3.2 mm超差0.1 mm外，其余尺寸均達到圖紙要求。產(chǎn)品實物如圖12所示。

(a)產(chǎn)品實物正面 (b)產(chǎn)品實物背面

對零件表面進行了外觀檢驗，發(fā)現(xiàn)基材與沉積層結(jié)合處有微小孔隙缺陷，如圖13所示。分析為基材加熱用的沉積樣塊在打印區(qū)域不是均勻分布，較遠的打印區(qū)域溫差較大，導致結(jié)合面有微缺陷。此問題可通過安裝加熱設備提高基材溫度均勻性，降低溫差來解決。此方法已在后期試件中得以驗證。

圖13 微小孔隙

4 結(jié)論

本文通過WAAM制造一體化饋源杯體縮比件的試驗，研究了該零件的成形工藝，并給出了制造該類大型零件時的成形路徑選擇、熱處理條件、機械加工工藝等，對超大薄壁類金屬結(jié)構(gòu)件的WAAM制造有一定的指導意義。本次研究結(jié)論如下：

1)采用連續(xù)短直線成形路徑，且將起、熄點置于零件外側(cè)，可減小應力集中。

2)基材的預熱，有助于形成良好的堆焊層。

3)固溶+時效可提高堆積金屬的抗拉強度，也可以消除熱應力。

4)采用石蠟+工業(yè)橡皮泥輔助加固方式可以提高薄壁件的剛度，解決顫刀問題。