張栩菁， 魏艷紅， 趙文勇， 龍金衛(wèi)， 劉仁培

(南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210000)

0 前言

增材制造技術(shù)(Additive manufacturing)是一種自下而上逐層熔覆，制造三維實(shí)體構(gòu)件的制造技術(shù)，是第三次科技革命的顛覆性技術(shù)之一，近30年來(lái)發(fā)展十分迅猛，大到航空航天、船舶機(jī)械，小到人類衣食住行，都能很好的契合現(xiàn)代制造業(yè)所需的設(shè)計(jì)復(fù)雜，性能優(yōu)越的生產(chǎn)要求。

傳統(tǒng)制造業(yè)有2種制造工藝，一種是等材制造，一種是減材制造。等材制造如古代的鑄劍、熔模鑄造；減材制造包括常見的車、銑、刨、磨、鉆等手段。相較于傳統(tǒng)制造，增材制造技術(shù)能有效提高材料利用率，豐富材料制造設(shè)計(jì)端的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，且具有制造過程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)[1]。目前，增材制造作為一種近凈成形工藝，是現(xiàn)代綠色制造、低碳高效產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。其中以電弧為熱源的電弧填絲增材制造技術(shù)(WAAM)，其原理是使用金屬焊絲作為熔覆材料，以層間堆焊的方式，可生產(chǎn)出焊接缺陷少、力學(xué)性能優(yōu)異的構(gòu)件[2-3]。相比于激光增材、電子束增材，WAAM在沉積速率、材料利用率、構(gòu)建大型復(fù)雜金屬構(gòu)件等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，且WAAM的成本較低，具有更廣泛的適用性[4]。尤其在航空航天，船舶機(jī)械等有眾多較大尺寸、中低程度復(fù)雜構(gòu)件裝備的領(lǐng)域，電弧填絲增材技術(shù)能夠在滿足服役條件要求下，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，電弧填絲增材技術(shù)得到了快速發(fā)展和進(jìn)步，WAAM在眾多領(lǐng)域都有許多相對(duì)成熟的案例[5-7]。但是該技術(shù)仍然存在表面成形精度難以滿足復(fù)雜構(gòu)件要求、組織性能難以控制、層間結(jié)合處偏析以及內(nèi)部氣孔等缺陷難以消除，需要進(jìn)行二次加工等問題[8-11]。如不進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化或處理，難以滿足核電、航空、航天、武器裝備等大型零部件制造的技術(shù)要求。

目前，對(duì)于調(diào)控電弧增材過程中的成形精度及組織性能已經(jīng)開展了廣泛研究，在工藝技術(shù)及裝備制造方面進(jìn)行了大量的探索，對(duì)電弧增材制造技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用，具有十分重要的科研和工程應(yīng)用意義。

1 電弧增材制造形性調(diào)控方法分類

良好的表面成形精度是評(píng)定電弧增材構(gòu)件質(zhì)量的重要指標(biāo)，尤其是對(duì)于表面成形精度要求高的復(fù)雜構(gòu)件有著重要意義，而組織性能的調(diào)控更是對(duì)所有金屬加工制造都具有非要重要的影響。當(dāng)前能改善電弧填絲增材制造表面成形精度或提高組織性能的方法眾多，有學(xué)者[12]按調(diào)控原理分類，將復(fù)合式增材制造技術(shù)分為3大類，分別是增減材復(fù)合技術(shù)、增等材復(fù)合技術(shù)和特殊能場(chǎng)輔助技術(shù)；也有學(xué)者[10]按調(diào)控目的將調(diào)控方法分為表面成形精度調(diào)控、增材內(nèi)部缺陷調(diào)控、應(yīng)力應(yīng)變調(diào)控和微觀組織調(diào)控4種方法。文中按照調(diào)控手段在增材制造過程中施加的時(shí)間段分為：在電弧增材過程中的調(diào)控、在電弧增材過程后的調(diào)控。其中在增材過程中的調(diào)控主要是同步熱加工，如復(fù)合銑削、同步層間軋制、同步層間噴丸、同步層間錘擊等，以及輔助冷卻和引入特種能場(chǎng)輔助電弧增材。而增材過程后的調(diào)控主要包括各種冷熱加工，如增材結(jié)束后進(jìn)行銑削、軋制、鍛造、噴丸及各種熱處理方式等。

2 電弧增材過程中成形和性能的調(diào)控

在電弧增材過程中進(jìn)行表面成形和組織性能的調(diào)控難度較大且工藝復(fù)雜，但是層間調(diào)控往往能達(dá)到更好的調(diào)控效果，且對(duì)生產(chǎn)效率影響較小，在對(duì)精度和性能要求普遍較高的航空航天、車輛船舶、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有很大發(fā)展?jié)摿?。因此?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電弧增材過程中可施加的調(diào)控方法進(jìn)行了大量研究，主要有以下幾種方式。

2.1 同步隨層銑削

在電弧增材過程中，由于焊縫熔池金屬流動(dòng)，加上層間熱累積嚴(yán)重，在層與層之間極容易產(chǎn)生凹凸不平，所導(dǎo)致的精度偏差難以避免。因此，有學(xué)者融合增減材制造各自的優(yōu)勢(shì)，在增材制造進(jìn)行的過程中，同時(shí)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行銑削等減材加工，這不僅提高了增材構(gòu)件表面成型精度，還保證了制造效率。

增材復(fù)合銑削技術(shù)最早在美國(guó)學(xué)者Fesslar等人[13]在其開發(fā)的(Shape deposition manufacturing, SDM)工藝上運(yùn)用了銑削加工來(lái)消除金屬沉積過程中的臺(tái)階效應(yīng)。為提高成形效率，有學(xué)者研究了隨層銑削。Karunakaran等人[14]提出一種基于電弧熔絲的電弧疊層制造工藝(ArcHybrid-layered manufacturing, ArcHLM)，在每層堆疊完成后對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行數(shù)控銑削(Computer numerical control, CNC)處理。該工藝使得電弧增材與銑削加工整合到同一制造平臺(tái)進(jìn)行，相比于在整個(gè)增材工序完成后進(jìn)行CNC銑削處理，時(shí)間花費(fèi)節(jié)約42%，成本節(jié)省28%，不僅提高了電弧增材構(gòu)件成形精度，更保證了復(fù)合制造的高效進(jìn)行。同時(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也研究了復(fù)合銑削工藝相結(jié)合的軟硬件，如夏然飛等國(guó)內(nèi)學(xué)者[15]也搭建了一套電弧增材與銑削減材復(fù)合的工藝系統(tǒng)，如圖1所示，能隨層或進(jìn)行后處理銑削，并輔以專用工藝軟件，優(yōu)化焊接-銑削參數(shù)，使得增減材復(fù)合加工高效高質(zhì)量進(jìn)行。

圖1 復(fù)合銑削試驗(yàn)平臺(tái)

在復(fù)合層間銑削過程中，由于減材加工過程隨著電弧增材過程同步進(jìn)行，而電弧增材過程中熱累積效應(yīng)十分嚴(yán)重，此時(shí)同步的減材加工將在高溫下進(jìn)行，對(duì)加工刀具的熱強(qiáng)性和耐磨性有很高要求[16]。并且，由于嚴(yán)重的熱累積效應(yīng)使得電弧增材過程中的構(gòu)件處于熱塑性狀態(tài)，在此過程對(duì)增材構(gòu)件進(jìn)行加工會(huì)使得工件發(fā)生某些有害變形，不僅不能增加成形精度，甚至加大構(gòu)件變形程度。因此，對(duì)于增材過程中所同步的減材加工工藝參數(shù)應(yīng)當(dāng)予以嚴(yán)格控制，盡量避免進(jìn)行二次加工。

2.2 同步層間軋制

軋制可以通過機(jī)械力產(chǎn)生一定的塑形變形，形成一定的強(qiáng)化層，并且細(xì)化晶粒，減少氣孔等組織缺陷，從而改善電弧增材構(gòu)件的力學(xué)性能。事實(shí)證明，層間軋制能減少增材構(gòu)件的殘余應(yīng)力和變形[17]。且相比于增材冷卻后軋制，層間軋制更能改善層間組織性能，減少層間缺陷，增強(qiáng)力學(xué)性能均勻性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電弧增材中復(fù)合層間軋制，主要有兩方面原因：首先，是為了減小層間熱累積造成的晶粒粗大，通過軋制細(xì)化晶粒。Donoghue等人[18]在電弧增材制造后對(duì)鈦堆積金屬進(jìn)行層間軋制處理，由于層間熱累積嚴(yán)重，β相晶粒會(huì)隨層繼續(xù)長(zhǎng)大，如圖2所示，相較于增材完畢進(jìn)行軋制，層間軋制能夠有效破碎了粗大的β相晶粒和α晶粒，從而進(jìn)一步提高力學(xué)性能。其次，是通過軋制閉合氣孔，降低氣孔率。如Fixter等人[19]在2000系鋁合金中引入層間軋制，在一定程度上細(xì)化了晶粒并降低氣孔率。Gu等人[20]同樣在鋁合金電弧增材制造過程復(fù)合了一定壓力和形變量的層間軋制，如圖3所示，在軋制過程中使得2319鋁合金電弧增材構(gòu)件中的氣孔閉合，孔隙中先前存在的氫可能會(huì)在位錯(cuò)和空隙產(chǎn)生的晶體缺陷中重新分布。同時(shí)由于在機(jī)械力的作用下，晶粒更加細(xì)化，形成了一定厚度的強(qiáng)化層，對(duì)比未引入層間軋制的構(gòu)件來(lái)說，力學(xué)性能提高了約30%。

圖2 剖面β晶粒度圖

層間軋制在增材制造過程的每一層都施加了一定時(shí)間的載荷，因此其對(duì)層間組織性能的改善更佳，但同樣由于層間軋制過程中，加工金屬還未來(lái)得及完全冷卻，屬于熱塑性狀態(tài)，進(jìn)行軋制會(huì)使得堆積層在壓力的作用下向兩側(cè)外擴(kuò)，無(wú)法保證成形精度，因此對(duì)于層間軋制后的工件可能需要進(jìn)行銑削等機(jī)加工。且目前層間軋制多用于形狀簡(jiǎn)單的壁狀結(jié)構(gòu)，對(duì)于形狀稍微復(fù)雜，或者增材構(gòu)件拐彎、大變形處，或考慮使用形狀結(jié)構(gòu)特別設(shè)計(jì)的軋制器具。

2.3 同步層間噴丸

噴丸強(qiáng)化是利用力和某些能量的作用，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行表面沖擊，在一定深度產(chǎn)生塑性變形，獲得對(duì)應(yīng)厚度的強(qiáng)化層，利用強(qiáng)化層所存在的殘余應(yīng)力抵消零件所受的部分載荷，以提高工件疲勞強(qiáng)度。

噴丸處理主要分為機(jī)械噴丸(Shock peening, SP)，以及利用能場(chǎng)沖擊達(dá)到噴丸效果，如激光沖擊強(qiáng)化(Laser shock peening, LSP)和超聲沖擊強(qiáng)化(Ultrasonic shock peening, USP)。其中同步層間噴丸主要利用激光沖擊強(qiáng)化和超聲沖擊強(qiáng)化這2種手段。

圖3 WAAM 2319鋁合金的光學(xué)觀察孔隙率

激光沖擊強(qiáng)化(LSP)類似于機(jī)械噴丸強(qiáng)化，所不同的是LSP屬于非接觸式強(qiáng)化，同樣能在構(gòu)件表面產(chǎn)生一定厚度的殘余應(yīng)力強(qiáng)化層，改善材料的微觀組織，提高表面力學(xué)性能。雖然激光沖擊強(qiáng)化成本稍高，但是其效果卻是最好的，能解決其他表面處理不能解決的問題。

北京航空航天大學(xué)孫汝劍等人[21]采用LSP技術(shù)，對(duì)電弧增材后的2319鋁合金薄板進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)在激光沖擊的作用下，電弧增材后的2319鋁合金晶粒得到細(xì)化，平均晶粒尺寸由68.86 μm減小到34.32 μm，如圖4所示。并且LSP后，式樣內(nèi)的位錯(cuò)密度有所增加，顯微硬度從68.8 HV提高到了100.6 HV，且構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力狀況得到改善。

圖4 晶粒微觀組織

Kalentics等人[22]提出了一種3D激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，對(duì)增材制造的316L不銹鋼進(jìn)行3D-LSP處理，發(fā)現(xiàn)沖擊強(qiáng)化層的殘余應(yīng)力大小和深度較傳統(tǒng)激光沖擊強(qiáng)化都得到顯著提高。

超聲沖擊(USP)也是一種接觸式的，利用應(yīng)力強(qiáng)化層強(qiáng)化的強(qiáng)化方式，其主要目的也是細(xì)化晶粒和閉合氣孔。Tian等人[23]在鋁合金電弧增材過程層間施加超聲沖擊，發(fā)現(xiàn)氣孔大小和數(shù)量降低，晶粒得到細(xì)化。華中科技大學(xué)何智等人[24]對(duì)電弧增材制造鈦合金零件進(jìn)行超聲沖擊，發(fā)現(xiàn)超聲沖擊不僅能細(xì)化晶粒，促進(jìn)位錯(cuò)增殖，還可以減小橫縱抗拉強(qiáng)度之間的各向異性。Gou等人[25]研究發(fā)現(xiàn)，在鈦合金CMT電弧增材制造過程中引入立體超聲噴丸，可以細(xì)化先析β相和次生α相，同時(shí)誘導(dǎo)晶界滑移和旋轉(zhuǎn)，有效提高TC4鈦合金力學(xué)性能。南京航空航天大學(xué)武勇等人[26]在鋁合金電弧增材各熔覆層之間引入超聲沖擊，發(fā)現(xiàn)在超聲沖擊下，等軸組織晶粒減小，直徑小的氣孔直接閉合，構(gòu)件抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較未沖擊式樣有所增強(qiáng)。

以非接觸能場(chǎng)進(jìn)行的層間噴丸能夠達(dá)到良好的強(qiáng)化效果，加工過程對(duì)表面成形精度的影響較小，但裝備成本稍高。主要在于探究最佳的工藝參數(shù)，如功率、頻率等，以使構(gòu)件達(dá)到最佳服役性能。

2.4 同步層間錘擊

與同步層間軋制和噴丸類似，也是通過在層間產(chǎn)生產(chǎn)生一定應(yīng)力的強(qiáng)化層來(lái)提高增材式樣的力學(xué)性能，不過錘擊的瞬時(shí)沖擊力大，自由度高，因此也是一種高效靈活的增材復(fù)合處理方式。

同步錘擊需在焊層未完全冷卻時(shí)，對(duì)其施加機(jī)械沖擊力。Xiong等人[27]在電弧增材過程中，在距離開始焊接的焊槍一定距離的位置施加一定載荷的機(jī)械錘擊，發(fā)現(xiàn)錘擊后的焊層表面力學(xué)性能提高，如圖5所示，這主要是由于錘擊在再結(jié)晶階段產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，并細(xì)化晶粒，從而產(chǎn)生一定的位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。這與Fang等人[28]的研究結(jié)果一致。

圖5 層間錘擊示意圖

雖然層間錘擊能產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，細(xì)化表層晶粒，從而強(qiáng)化增材式樣的力學(xué)性能，但是由于瞬時(shí)沖擊力大，且受錘頭形狀的影響，不同區(qū)域組織改性不均勻，且在熱塑性變形階段的錘擊難以控制成形精度，這也是層間錘擊提高性能與精度難以控制的矛盾點(diǎn)。

2.5 同步輔助冷卻

由于在電弧增材過程中層間熱累積嚴(yán)重，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)低的金屬如鋼和鈦合金，在電弧增材過程中容易有焊層塌陷，形狀扭曲等不利于保證成形精度的現(xiàn)象產(chǎn)生。并且由于層間熱積累嚴(yán)重，晶粒在熱的作用下會(huì)有一定程度的熱生長(zhǎng)，產(chǎn)生對(duì)性能不利的組織，從而降低增材構(gòu)件的力學(xué)性能。為避免層間熱累積造成的不利影響，常見的方法是等焊層自然冷卻一段時(shí)間后繼續(xù)加工，但這將浪費(fèi)更多的時(shí)間成本。因此，快速削弱電弧增材過程中的熱累積作用是有必要的，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)電弧增材過程的輔助冷卻工藝做了相關(guān)研究?，F(xiàn)有電弧增材制造輔助冷卻工藝按冷卻介質(zhì)分，主要有2種：第一種是利用二氧化碳、氮?dú)獾葰怏w冷卻。Wu等人[29]用電弧填絲增材制造技術(shù)(WAAM)輔以CO2強(qiáng)制冷卻制造Ti6Al4V薄壁結(jié)構(gòu)，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)在引入CO2氣體冷卻后，大量層片狀α相被針狀α相取代，同時(shí)表面晶粒得到細(xì)化，并且通過對(duì)外觀形貌的觀察發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制冷卻能降低塌陷，提高層高，有利于薄壁件生產(chǎn)。并且，Hackenhaar等人[30]通過對(duì)噴氣強(qiáng)制冷卻的電弧增材過程模擬發(fā)現(xiàn)，噴氣強(qiáng)制冷卻不僅能有效降低電弧增材過程中的熱積累效應(yīng)，還能有效提高成形效率。第二種是利用液體冷卻。da Sliva等人[31]探索了一種名為近浸入式主動(dòng)冷卻 (NIAC) 的熱管理技術(shù)，以減輕電弧填絲增材制造 (WAAM) 中的熱量積累，其原理如圖7所示，其中：Qcond為傳導(dǎo)散熱；Qconv為對(duì)流散熱；Qrad為輻射散熱。通過這種技術(shù)制造出的鋁合金薄壁件更加的細(xì)長(zhǎng)，表面“臺(tái)階效應(yīng)”降低，且構(gòu)件力學(xué)性能的各向異性減小，還不會(huì)增加氣孔率，表面成形質(zhì)量和力學(xué)性能都得到提升。這與Reisgen等人[32]的研究結(jié)論類似。對(duì)于鋼材來(lái)說，對(duì)WAAM成形件進(jìn)行水冷，類似于淬火作用，能獲得理想的微觀組織，較傳統(tǒng)軋制工藝能增強(qiáng)延展性，減小各向異性，并提高抗拉強(qiáng)度[33]。

圖6 不同冷卻條件下零件的微觀組織

圖7 NIAC 熱管理方法示意圖

氣體主動(dòng)冷卻由于冷卻效率較低，主要適用于輔助冷卻薄壁構(gòu)件，而液冷雖然冷卻效率高，但冷卻過程難以控制，缺乏有效的監(jiān)控手段，對(duì)工藝要求更苛刻。在電弧增材過程中的輔助冷卻既要考慮冷卻效率，也要考慮冷卻介質(zhì)產(chǎn)生的不利影響，需要探究更加適宜的冷卻介質(zhì)和冷卻方式，如氣溶膠等具有良好潛力的冷卻介質(zhì)[32]，并能適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和厚壁結(jié)構(gòu)件的冷卻應(yīng)用。

2.6 引入特種能場(chǎng)輔助

可以通過在電弧增材過程中引入激光、電場(chǎng)、超聲、磁場(chǎng)等能量場(chǎng)，在電弧增材層間堆積階段干涉熔池金屬流動(dòng)及晶粒形核長(zhǎng)大，從而對(duì)增材構(gòu)件表面成形以及組織性能進(jìn)行宏觀和微觀尺度的調(diào)控，以獲得成形精度高，性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)件。

激光輔助電弧增材技術(shù)之中，除了激光沖擊強(qiáng)化之外，激光輔助調(diào)節(jié)電弧狀態(tài)的技術(shù)也應(yīng)用較廣。

Gao等人[34]研究發(fā)現(xiàn)，在電弧焊過程中引入激光可以使得電弧穩(wěn)定，且在一定范圍內(nèi)隨著激光功率的增大，電弧穩(wěn)定性增強(qiáng)，從而使得焊縫熔池保持尺寸和熱力穩(wěn)定。陳曦等人[35-36]通過對(duì)激光影響電弧形態(tài)的研究，研發(fā)了激光約束電弧增材裝備，激光可以多方位調(diào)控電弧，使得電弧產(chǎn)生更多的等離子體，使電弧能量密度提高，增強(qiáng)電弧力，提高電弧挺度及穩(wěn)定性，如圖8所示。

圖8 軟規(guī)范參數(shù)下激光作用前后電弧實(shí)際尺寸變化

超聲輔助電弧增材技術(shù)，除了超聲沖擊是利用應(yīng)力強(qiáng)化層強(qiáng)化，其余輔助機(jī)理主要是通過影響熔池金屬流動(dòng)和熔融金屬凝固結(jié)晶的過程來(lái)達(dá)到改善表面成形精度及組織性能的作用。許明方等人[37]在TC4合金冷金屬過渡(Cold metal transfer, CMT)增材基礎(chǔ)上引入超聲輔助作用于增材過程，發(fā)現(xiàn)由于超聲加速熔池?cái)嚢?，使得散熱變快，組織冷卻速度增加，從而產(chǎn)生了針狀馬氏體α’相。除了將超聲直接作用于增材構(gòu)件，孫寧等人[38]將超聲振動(dòng)施加于CMT電弧增材制造的焊槍上，發(fā)現(xiàn)施加超聲會(huì)使得CMT抽拉絲周期明顯縮小，至多可以提升近43%，從而提高熔覆層截面積。Zhang等人[39]將超聲作用于基板，通過基板傳遞超聲以影響熔池，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)對(duì)熔池產(chǎn)生的聲流效應(yīng)，可以減少第二相的析出并改變其形態(tài)，還可以細(xì)化晶粒，使組織均勻化，從而改善構(gòu)件的性能。

圖9 超聲波振動(dòng)對(duì) Ni 和 Ti 元素分布的影響

與超聲不同，外加磁場(chǎng)輔助除了影響熔池金屬流動(dòng)和熔融金屬凝固結(jié)晶的過程，還能影響電弧狀態(tài)以及熔滴過渡過程。通過調(diào)整合適的磁場(chǎng)參數(shù)，優(yōu)化外加磁場(chǎng)對(duì)構(gòu)件表面成形和組織性能的影響，可以為電弧增材制造“形”、“性”多方面調(diào)控手段提供另一種研究思路[40]?，F(xiàn)階段對(duì)外加磁場(chǎng)影響電弧增材的研究集中在磁場(chǎng)類型(縱向、橫向、尖角磁場(chǎng))的影響、磁場(chǎng)改善電弧狀態(tài)和能量分布、磁場(chǎng)作用下對(duì)液態(tài)金屬的流動(dòng)和凝固行為、磁場(chǎng)輔助電弧焊影響焊縫表面成形、磁場(chǎng)輔助電弧焊對(duì)焊接缺陷產(chǎn)生以及磁場(chǎng)輔助電弧焊改善焊縫微觀組織和性能這幾個(gè)方面。

在磁場(chǎng)對(duì)電弧形態(tài)作用方面，黃武東等人[41]在5083鋁合金脈沖熔化極氣體保護(hù)焊堆焊實(shí)驗(yàn)中引入外加縱向磁場(chǎng)，如圖10所示，電弧受到洛倫茲力的作用，發(fā)生收縮，并快速旋轉(zhuǎn)，但未偏轉(zhuǎn)，仍保持左右對(duì)稱的鐘罩狀。由于熔池受到外加電磁力作用，發(fā)生流體擾動(dòng)，影響熔池流動(dòng)的對(duì)稱性。盧振洋等人[42]研究發(fā)現(xiàn)，在外加橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)情況下，TIG焊接電弧運(yùn)動(dòng)變化和磁場(chǎng)變化一致，且電弧半徑與勵(lì)磁電流成正比和勵(lì)磁頻率成反比。

圖10 縱向磁場(chǎng)下電弧受力分析簡(jiǎn)圖

在磁場(chǎng)對(duì)焊縫成形的影響方面，王啟偉等人[43]做出了大量研究，如圖11所示，發(fā)現(xiàn)在外加縱向磁場(chǎng)作用下，保持其他條件不變的情況下，隨著勵(lì)磁電流的增大，焊縫余高變小，熔池寬度增加。并且焊縫兩側(cè)潤(rùn)濕角縮小、焊道變得更加寬扁，焊縫表面成形質(zhì)量和精度有所提高。在經(jīng)過優(yōu)化的磁場(chǎng)參數(shù)下試驗(yàn)?zāi)塬@得表面成形好的多層熔敷式樣。Zhao等人[44]也發(fā)現(xiàn)，在Al-Mg合金電弧增材過程中輔助合適的縱向磁場(chǎng)，利用電磁力攪動(dòng)熔池，影響熔融金屬的流動(dòng)，可以使得焊層熔池變寬，熔池余高降低，尤其是表面臺(tái)階效應(yīng)相比同參數(shù)未施加磁場(chǎng)對(duì)照組得到明顯削弱，提高了表面成形質(zhì)量。

圖11 不同勵(lì)磁電流強(qiáng)度作用下焊道截面

在外加磁場(chǎng)對(duì)熔池流動(dòng)的影響方面。Wang等人[45]通過對(duì)Inconel 625合金進(jìn)行電弧增材研究發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)的作用下電弧發(fā)生旋轉(zhuǎn)，熔池也會(huì)隨著電弧旋轉(zhuǎn)發(fā)生攪動(dòng)，并且由于賽貝克效應(yīng)表面形成熱電流，在磁場(chǎng)下產(chǎn)生與熔融金屬初始運(yùn)動(dòng)相反的洛倫茲力，使得熔池?cái)噭?dòng)作用更強(qiáng)烈。國(guó)內(nèi)學(xué)者柏興旺等人[46]對(duì)GTAW堆焊外加縱向和橫向磁場(chǎng)的影響進(jìn)行了理論分析，如圖12所示，闡釋了磁場(chǎng)對(duì)熔池對(duì)流的影響。發(fā)現(xiàn)縱向磁場(chǎng)的引入能攪拌熔融金屬，產(chǎn)生更多的異質(zhì)形核點(diǎn)并使得晶粒更加破碎，與此同時(shí)，由于電磁力的攪拌作用，使得焊縫的熔寬變得更寬；而橫向磁場(chǎng)加入則會(huì)使電磁力對(duì)熔池流動(dòng)的影響大大增加，熔池流動(dòng)會(huì)演變成“單渦”對(duì)流狀態(tài)，這有利于穩(wěn)定的熔滴過渡，減小焊接飛濺，從而提高成形質(zhì)量。

圖12 外加縱向磁場(chǎng)時(shí)工件xy截面電磁力分布

特殊能場(chǎng)能良好的調(diào)控成形性能，其中縱向磁場(chǎng)還能改善表面成形精度，橫向磁場(chǎng)還能提高焊接效率，針對(duì)不同構(gòu)件探究特定的合工藝參數(shù)尤為重要。但是由于特種能場(chǎng)對(duì)熔池凝固以及流動(dòng)行為的影響機(jī)理，以及微觀組織演化規(guī)律研究不夠深入，以及各類能場(chǎng)介入時(shí)機(jī)，施加位置等都需要考慮，因此獲取合適工藝參數(shù)成本較大。

3 電弧增材結(jié)束后成形和性能的調(diào)控

在電弧增材后表面成形和組織性能的調(diào)控方法中，除了磁場(chǎng)、電場(chǎng)等某些特殊能場(chǎng)不便使用外，其他方法的調(diào)控原理與電弧增材過程中調(diào)控幾乎相同，不過加工工藝簡(jiǎn)化了許多，幾乎都是一次加工完成，但除增材后熱處理外，性能往往不如隨層調(diào)控優(yōu)異。現(xiàn)有研究主要集中在以下幾方面。

3.1 增材后銑削

在增材式樣冷卻后對(duì)增材后的構(gòu)件進(jìn)行表面銑削，能夠比較容易一次達(dá)到滿足服役要求的表面精度，也延長(zhǎng)了加工刀具壽命，但是效率不如同步隨層銑削高效。

Jeng等人[47]應(yīng)用增材復(fù)合銑削的方式進(jìn)行模具制造，成形精度滿足要求，但是加工時(shí)間較長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究，如圖13所示，華中科技大學(xué)Xiong等人[48]利用等離子沉積加銑削(HPDM)的加工方式，能夠有效消除臺(tái)階效應(yīng)，提高成形精度，將結(jié)構(gòu)件的尺寸誤差控制在0.05%以下。

圖13 五軸HPDM原理圖

增材后銑削能一次性滿足表面成形精度要求，但是由于是在增材過程完成并冷卻后進(jìn)行銑削，生產(chǎn)周期要比隨層銑削長(zhǎng)。

3.2 增材后軋制

對(duì)增材后的式樣進(jìn)行軋制也較早應(yīng)用于試驗(yàn)生產(chǎn)中。McAndrew等人[49]對(duì)不同形狀厚度的增材構(gòu)件采用不同的軋制方式，如圖14所示，有效破碎了粗大的晶粒，強(qiáng)化層深度可以達(dá)到表面以下3 mm，使堆積金屬力學(xué)性能提高了20.3%。

圖14 主要軋制方法的示意圖

增材后軋制除了能優(yōu)化組織性能，還能在一定程度上提高表面精度。Dirisu等人[50]對(duì)電弧增材的鋼構(gòu)件進(jìn)行軋制加工，發(fā)現(xiàn)軋制可以使得鋼的增材構(gòu)件臺(tái)階效應(yīng)造成的波紋開口減小，不僅提高了表面精度，也使得拉伸過程中應(yīng)力集中下降，降低裂紋和應(yīng)力變形產(chǎn)生，從而提高產(chǎn)品服役期限，如圖15所示。

圖15 軋制和沉積態(tài)對(duì)應(yīng)缺口半徑和表面波紋度關(guān)系

由于軋制的塑形強(qiáng)化層深度有限，因在增材過程完畢之后進(jìn)行軋制，強(qiáng)化層只會(huì)在表面附近，對(duì)于更深層的組織細(xì)化和氣孔消除不明顯，因此增材后軋制更適用于薄壁件。

3.3 增材后鍛造

對(duì)于工業(yè)制造中服役條件惡劣，性能要求優(yōu)異的重要增材零件，可以采用鍛造和增材制造復(fù)合的方式制造。鍛造可以改善微觀組織，有效減少增材制造過程中產(chǎn)生的氣孔等缺陷，從而提高增材制造產(chǎn)品質(zhì)量。

Pruncu等人[51]發(fā)現(xiàn)通過熱鍛的316L不銹鋼增材樣品，相比未處理的增材構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了20%的拉伸強(qiáng)度極限和70%的延展性改進(jìn)。Hopper等人[52]對(duì)316L不銹鋼增材式樣進(jìn)行正火和熱鍛，沉積態(tài)和熱鍛處理后，發(fā)現(xiàn)正火和熱鍛后的不銹鋼增材構(gòu)件的力學(xué)性能有明顯提升，這主要是由于熱鍛能夠降低增材構(gòu)件孔隙率，致密度可提高至99%，并在一定程度上細(xì)化晶粒，從而增強(qiáng)力學(xué)性能。

同增材制造結(jié)束后進(jìn)行軋制一樣，增材后鍛造也主要適合于薄壁件，同時(shí)也得考慮熱塑性條件下鍛造過程對(duì)于成形精度的影響。

3.4 增材后噴丸

機(jī)械噴丸(SP)一般是將實(shí)物彈丸以極快速度沖擊到式樣表面，同樣使得式樣表面產(chǎn)生一定程度的塑性變形，獲得一定厚度的強(qiáng)化層。但是相對(duì)于層間噴丸作用于式樣每一層，機(jī)械噴丸的強(qiáng)化層深度有限，因此比較適用于薄壁件。

AlMangour等人[53]利用機(jī)械噴丸的方法對(duì)不銹鋼增材構(gòu)件進(jìn)行后處理，通過應(yīng)力誘導(dǎo)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，并使得晶粒細(xì)化，工件表面硬度、耐磨性都有所提高，如圖16所示。

圖16 17-4不銹鋼噴丸處理前和處理后的晶粒取向圖

同樣，超聲噴丸(USP)和激光噴丸(LSP)同樣也是增材構(gòu)件后期加工的重要方法。Hackel等人[54]研究認(rèn)為，激光噴丸(LSP)的強(qiáng)化層深度更深，在增材制造成形之后使用，提高疲勞強(qiáng)度等非常有效，但如果在增材層間使用，除了增加時(shí)間成本以外，也會(huì)使得經(jīng)濟(jì)成本提高，且制造流程復(fù)雜化，因此激光噴丸更適用于增材完畢后使用。

3.5 增材后熱處理

由于電弧增材過程經(jīng)歷了多次熱循環(huán)，不僅金屬的晶粒會(huì)有所長(zhǎng)大，還有可能造成析出強(qiáng)化相重新溶解等問題，因此除了上述幾種機(jī)械加工外，對(duì)電弧增材過程中的缺陷消除和組織性能改善還可以用熱處理的方式。但是由于電弧增材過程中涉及的金屬化學(xué)冶金過程不完全與傳統(tǒng)鑄造相同，因此也有眾多學(xué)者對(duì)也電弧增材后的熱處理進(jìn)行了相關(guān)的研究，主要涉及鋁合金和鋼這兩種熱處理廣泛應(yīng)用的材料。

對(duì)于鋁合金，Gu等人[55]發(fā)現(xiàn)，電弧增材制造后的2319鋁合金，固溶加人工時(shí)效的熱處理相比于軋制能更好的提高增材后的2319鋁合金強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，Zhou等人[56]對(duì)電弧增材后的2219鋁合金進(jìn)行了固溶和時(shí)效處理，發(fā)現(xiàn)540 ℃是電弧增材制造后2219鋁合金的適當(dāng)固溶處理溫度，在該溫度下的固溶處理可提高電弧增材制造2219鋁合金的綜合力學(xué)性能。這是由于當(dāng)固溶處理溫度從520 ℃上升到540 ℃時(shí)，過飽和式樣可以析出大量細(xì)小和均勻分布的θ”相，最終形成穩(wěn)定的強(qiáng)化相θ相。

對(duì)于鋼材，Zhang等人[57]通過對(duì)電弧增材后的不銹鋼進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，計(jì)算出奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼最佳配合比時(shí)的熱處理工藝，并得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)Nemani等人[33]通過對(duì)電弧增材后的EH36鋼板進(jìn)行空冷和水淬比較發(fā)現(xiàn)，水淬后的鋼板形成了理想的顯微組織，幾乎消除了各向異性并增強(qiáng)了抗拉性能和22%的延展性。

以上針對(duì)電弧增材后構(gòu)件進(jìn)行熱處理的研究表明，熱處理在改善增材后構(gòu)件性能方面有巨大潛力，但由于熱處理在增材后的成熟工藝較少，未形成完整的處理體系，對(duì)不同的材料和構(gòu)件需要大量成本探究其適合的特定工藝，同時(shí)熱處理所需時(shí)間較銑削、軋制等機(jī)加工更長(zhǎng)，將延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，更大程度削弱增材制造原本的快捷高效優(yōu)勢(shì)。

4 總結(jié)與展望

目前，電弧增材制造技術(shù)已經(jīng)在制造工藝、制造裝備系統(tǒng)等方面進(jìn)行了大量研究，也取得了許多有效成果。但是在表面成形精度、微觀組織以及力學(xué)性能控制方面，調(diào)節(jié)范圍較小，工藝普適性不高，對(duì)其中的作用機(jī)理，尤其是特殊能場(chǎng)在電弧增材過程中的作用機(jī)理并未進(jìn)行系統(tǒng)深入的理論分析。未來(lái)，電弧增材表面精度以及組織性能控制的發(fā)展，主要方向集中在以下幾方面。

(1)深入研究成形精度和組織性能控制機(jī)理，增強(qiáng)可控性。現(xiàn)有眾多技術(shù)中，減材和等材控制機(jī)理比較清析，能對(duì)電弧增材構(gòu)件成形和性能實(shí)現(xiàn)較好控制。但對(duì)于特殊能場(chǎng)的影響機(jī)理，缺乏深入的理論支撐，難以有效的提高控制精度，因此需要深入研究其物理、化學(xué)冶金過程，以在電弧增材過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)其任意部位成形和性能有效控制。

(2)再?gòu)?fù)合增材制造技術(shù)發(fā)展。增減材、增等材以及特種能量場(chǎng)輔助電弧增材制造各有優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，將這三種技術(shù)進(jìn)行再?gòu)?fù)合，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既能實(shí)現(xiàn)增減材在表面精度控制優(yōu)勢(shì)，也能發(fā)揮增等材在組織性能調(diào)控方面的特點(diǎn)，特殊能場(chǎng)還能在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善表面成形和組織性能，具有良好的潛力，這也是未來(lái)電弧增材成形及性能控制的發(fā)展趨勢(shì)。

(3)搭建智能化、高復(fù)合的電弧增材制造平臺(tái)。電弧增材過程成形、性能控制復(fù)雜，在現(xiàn)有焊接機(jī)器人等焊接設(shè)備基礎(chǔ)上，構(gòu)建復(fù)合控制成形和性能的加工裝置，布置多種信號(hào)傳感檢測(cè)等硬件，以進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，形成閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，以及搭建數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件，提高電弧增材平臺(tái)的集成度和智能化，以更好的實(shí)現(xiàn)電弧增材成形和性能的控制。

(4)難焊材料，復(fù)雜構(gòu)件電弧增材工藝裝備研究。在電弧增材制造的過程中，采用的原料集中于易成形金屬或焊接性良好的合金，且難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的堆積成形。針對(duì)難焊材料以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，應(yīng)將繼續(xù)研發(fā)相關(guān)工藝技術(shù)和制造裝備，能夠柔性、高效、低成本的實(shí)現(xiàn)相對(duì)而言種類廣泛、形態(tài)各異的金屬構(gòu)件增材制造。