高強鋁合金電弧增材制造的研究進展
時間：2024-08-22 09:22 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
1. 北京工業(yè)大學 汽車結構部件先進制造技術教育部工程研究中心，北京 100124
2. 中國科學院金屬研究所，沈陽 110016
高強鋁合金因具有高強度、低密度、優(yōu)異的延展性和抗腐蝕性，成為了航空航天和汽車應用零件最常用的金屬材料之一。電弧增材制造技術具有快速原位成形制造復雜結構零部件的能力，非常適用于中型或大型高強鋁合金鋁部件的制造。本文綜合分析了高強鋁合金電弧增材制造工藝和設備研發(fā)現(xiàn)狀、高強鋁合金電弧增材的固有屬性和缺陷以及主要的性能優(yōu)化手段，討論了組織和性能的固有特征和復合增材制造技術對組織和性能的影響。針對電弧增材制造高強鋁合金不可忽略的本質冶金缺陷、特征性能需求和多種優(yōu)化工藝的優(yōu)劣等問題，提出了電弧增材制造高強鋁合金綜合評價體系、成分設計和絲材開發(fā)、專用熱處理制度和復合增材制造技術的協(xié)同性等發(fā)展方向，以期為電弧增材制造高強鋁合金的性能提升和應用推廣提供重要參考。
在工業(yè)革命快速發(fā)展的新時代，新型工程材料的需求也在不斷的增加，因此需要能夠引領現(xiàn)代世界走向更新的、更快的、更強的和更節(jié)能的新制造工藝時代［1］。絲材電弧增材制造（WAAM）結合了傳統(tǒng)焊接技術和增材制造，使用了電弧作為熱源，以填充焊絲作為原料進行逐層沉積，直到創(chuàng)建出所需的3D形狀結構件。WAAM相比于減材制造和其他增材制造工藝，雖然出現(xiàn)時間相對較短，但加工材料消耗更少［2］，具有沉積效率高、設備成本低、材料利用率高、能夠制造大尺寸構件、設計自由度高、材料可用性廣泛、混合制造和對環(huán)境污染低等優(yōu)勢［3］，越來越受到眾多工業(yè)制造領域的關注，在金屬智能制造領域具有廣闊的發(fā)展前景［4］。
鋁合金因其高強度、低質量密度、優(yōu)異的延展性和高耐腐蝕性而受到廣泛的應用［5］，同時，又因其高導電率、高導熱率和良好的可制造性，使得鋁合金成為最具有前途的航空航天和交通運輸?shù)阮I域所用材料。高強鋁合金一般指可熱處理強化的含銅元素的2×××、含鋅元素的7×××鋁合金，主要應用在需要高強、高韌、耐腐蝕、高耐損傷要求的航空航天領域。隨著飛機設計思路的不斷創(chuàng)新，對先進飛機等構件制造提出了越來越高的要求。鋁合金WAAM能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)的大型復雜精密構件的直接制造成形［6］，能夠生產(chǎn)非常接近最終形狀的預成型件、無需復雜的工具、模具和沖模，因而對高強鋁合金的增材技術的需求十分強烈，迫切需要直接服務于裝備制造業(yè)的新成形技術［7］。
目前為止，雖然對WAAM已經(jīng)進行了大量的研究，工藝和理論發(fā)展逐漸成熟，并且已經(jīng)制造出能媲美鑄造件的大型結構件［2］。但目前仍然處于起步階段，存在著許多需要解決的問題，包括熱源和設備的研發(fā)、高強鋁合金微合金化設計、工藝開發(fā)、缺陷消除方法等。本文對WAAM高強鋁合金的熱源和設備、固有的組織和性能屬性、固有的冶金缺陷和性能優(yōu)化手段進行了討論，重點討論WAAM高強鋁合金的凝固特性、強化機制、缺陷的產(chǎn)生原因和優(yōu)化手段的主要原理，并從性能綜合評價體系、成分設計與絲材開發(fā)、專用熱處理制度和復合增材制造技術的協(xié)同性等發(fā)展方向進行了展望，以期提高電弧增材構件的形性和擴大高強鋁合金的應用范圍，加快高強鋁合金的研究進程。
1 高強鋁合金WAAM系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
迄今為止，研究人員逐步探索了多種基于增材制造的鋁合金成形技術，主要包括電子束熔化（EBM）、激光選區(qū)熔化（SLM）、電子束自由成形制造技術（EBF）和直接能量沉積（DED）等［8］。從設備成本、零部件制造尺寸、制造效率和質量控制等方面出發(fā)，WAAM作為逐層沉積3D組件的大型鋁合金零件制造關鍵技術，已經(jīng)被工業(yè)界廣泛接受［9］。現(xiàn)在普遍認為WAAM工藝起源于1925年Baker提出使用電弧，以填充焊絲作為原料來沉積金屬裝飾品［10］。隨著高質量計算機輔助設計和制造軟件（CAD/CAM）的出現(xiàn)使得增材制造的廣泛應用成為可能，特別是WAAM，成為了一個重要發(fā)展的領域。相關學者評估了WAAM與其他增材工藝的相對優(yōu)勢［11-12］，如圖1所示。可以看出，WAAM的關鍵優(yōu)勢在于交貨周期、材料浪費和改進功能方面，還能夠針對小批量零件的工具和多材料結構的設計實現(xiàn)定制化服務。
圖1
WAAM系統(tǒng)裝置主要包括熱源、送絲機、輔助保護氣體、加熱元件和傳感器等。根據(jù)熱源性質的不同，一般來說，WAAM工藝通常分為三種類型：熔化極氣體保護焊（GMAW）［13］、非熔化極鎢極氣體保護焊（GTAW）［14-15］和等離子弧焊（PAW）［16］，制造工藝原理如圖2所示。特定類型的WAAM技術表現(xiàn)出特定的特征，GMAW和GTAW的能源效率可以超過90%［17］。GMAW的沉積速率比GTAW和PAW高2~3倍［3］，然而，GMAW的穩(wěn)定性較差，由于電流直接作用于絲材進行熔化，會產(chǎn)生更多的焊接煙霧和飛濺，尤其熔滴飛濺最為嚴重。可見，WAAM工藝的選擇會直接影響目標部件的加工條件和生產(chǎn)率。
圖2
GMAW利用電弧將絲材直接熔化實現(xiàn)沉積成形，可分為金屬惰性氣體焊接（MIG）和冷金屬過渡（CMT）［18］。隨著CMT增材技術的研發(fā)，眾多學者認為CMT是最合適的增材制造技術［19］，因為CMT具有更高的冷卻速率，一定程度上避免了大的飛濺和氣孔問題。CMT技術集成了四個過程，即起弧-填充熔池和滅弧-短路回抽-循環(huán)往復［20］，如圖2（b）所示，利用冷熱交替的方式避免熔池中熱量的累積。相關學者認為CMT是一種低成本的熔絲增材方式，因為焊絲是在非反應的惰性氣體中進入熔池的，能夠實現(xiàn)尺寸的高精度控制。GTAW是WAAM制造工藝中要求最高的技術之一［21］，焊接效率高達83%［22］。GTAW使用鎢極尖端熔化焊絲［23］，在一定程度上減少了飛濺的問題，但因為焊槍與送絲相互獨立，送絲方向和焊槍移動方向需要完美的匹配，因此在制造復雜結構件時難度較大。PAW于2006年進入增材制造領域，首先用于制造不銹鋼［24］。PAW以等離子電弧為熱源，主要由鎢極和惰性氣體組成，送絲機在焊槍下部，焊絲熔化并沉積在基體上，重復該過程實現(xiàn)增材。
2 高強鋁合金WAAM的屬性和缺陷
2.1 組織和性能固有性質
2.1.1 組織的固有特征
高強鋁合金在WAAM工藝的成形過程中，由于逐層沉積熱輸入引起不同于其他成形方法和其他系鋁合金，且始終無法完全消除的屬性，在本文中稱為“固有特性/屬性”。WAAM以層間堆焊的方式進行沉積，因此層間結合成為了組織主要特征和重點強化區(qū)域。不同的工藝和材料展現(xiàn)出不同的層間特征［25-27］。一般來說，在沒有額外能量場等因素的影響情況下，對于WAAM構件的每個單獨層，存在熔池區(qū)（MPZ）、熔池邊界（MPB）和熱影響區(qū)（HAZ），然后重復該過程，如圖3（a）［25］所示。Dong等［26］將層間分為上部區(qū)（UP）和下部區(qū)（LP），UP中的晶粒從沉積層的起始位置開始，LP中的晶粒從倒數(shù)第二層和最后一層之間的熔合線開始，如圖3（b）所示。UP層的長大依賴于已經(jīng)沉積柱狀晶的持續(xù)生長，此時，LP的生長依賴于新晶粒從熔池底部成核和生長，因此柱狀晶受到了阻礙。
圖3
2.1.2 力學性能的固有特征
迄今為止，諸多研究聚焦于提高WAAM制造的鋁合金構件的力學性能和結構性能，通過改變不同的工藝參數(shù)，包括電弧模式、送絲速度、沉積速度以及采用后處理的手段進行優(yōu)化。然而，因裂紋敏感性高，成功制備高強鋁合金構件鮮有報道。單純堆焊沉積的高強鋁合金構件的抗拉強度往往超不過300 MPa［26-27］。與WAAM高強鋁合金相關的裂紋、孔隙率、不均勻的微觀結構、殘余應力和變形等缺陷使其對研究人員更具有挑戰(zhàn)性。
高強鋁合金強度主要來源于鋁基體中密集的納米析出相產(chǎn)生的沉淀硬化，Al-Cu系合金主要是析出的高密度Al2Cu（θ′）使得強度大幅度提升，Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金形成的主要強化相MgZn2（η′）尺寸更小，分布更彌散，沉淀硬化效應更顯著。高強鋁合金構件的強化效果與溫度和時間有著密切的關系。WAAM多次熱循環(huán)在沉積初期熱量累積，散熱條件逐漸惡化，并且后續(xù)沉積熱對已成形層都施加不同溫度和循環(huán)次數(shù)的熱處理效果［28］。典型Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金WAAM不同區(qū)域的熱循環(huán)及強化相析出形貌示意圖如圖4（a）［26］所示。非平衡凝固條件下，構件頂部位置A在析出溫度范圍內沒有經(jīng)歷有效的熱循環(huán)，合金元素仍固溶在基體內。靠近基板的位置經(jīng)歷更有效的熱循環(huán)，沉淀物成核并長大。隨著與熱源距離的增加，后續(xù)熱循環(huán)的峰值溫度可能會在析出溫度范圍以下，因此析出相不再長大，穩(wěn)定成位置D的形貌。典型7系鋁合金WAAM構件納米析出相形貌如圖4（b）［26］所示。由于持續(xù)熱循環(huán)導致最底層構件內是更多粗大且非共格的穩(wěn)定相η的生成，因此其硬度下降。這意味著連續(xù)熱循環(huán)導致已沉積部分發(fā)生過時效，性能形成明顯的各向異性。
圖4
2.1.3 腐蝕性能的固有特征
由于成分過冷的差異，構件可能形成具有獨特晶粒結構的區(qū)域［29-31］。此外，由于高強鋁合金都是可熱處理的，WAAM會引起與復雜熱循環(huán)相關的相變，導致偏析、固溶和過時效等顯著的化學不均勻性［32-33］。其中不可避免地影響合金的局部腐蝕［29］。除此之外，為了進一步提高WAAM高強鋁合金零件的力學性能，需要分析環(huán)境輔助開裂（EAC）對WAAM方法制造的耐腐蝕金屬零件力學性能的影響。EAC往往會影響材料中的多種失效，例如應力腐蝕開裂（SCC）、氫脆（HE）、硫化物應力腐蝕開裂和輻照引起的應力腐蝕開裂（IISCC）。經(jīng)驗表明，由Al7075-T6制成的飛機部件往往會迅速腐蝕，特別是在海洋環(huán)境中運行的飛機［34］。需要對WAAM制造的鋁合金的磨損和腐蝕行為進行適當?shù)臋z查，因為鋁合金部件在其使用壽命期間遇到磨損和腐蝕的區(qū)域被高度利用［35］。出于明顯的安全原因，過度腐蝕的部件必須更換，并且更換成本很高。因此，有必要全面研究WAAM鋁合金制造零件中的EAC行為。
2.2 高強鋁合金WAAM的冶金缺陷
盡管WAAM技術具有顯著的優(yōu)勢，但完成高質量的WAAM構件制造的前提是需要解決適應于WAAM熱條件下高熱輸入的特殊挑戰(zhàn)。WAAM鋁合金的應用受到常見缺陷的限制，其中包括孔隙缺陷［26，28］、裂紋和分層［36-37］、殘余應力［38-40］、變形和揮發(fā)性元素的氧化和蒸發(fā)等，各種金屬WAAM工藝中的常見缺陷范圍如圖5所示［3］。
圖5
(責任編輯：admin)
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