摘要

鋁元件的線材+電弧增材制造(WAAM)的最新進展為其性能的進一步增強提供了獨特的機會。更多的研究是通過控制制造參數(shù)、線材性能、電弧模式和后處理來調節(jié)鋁件的顯微組織和機械特性。在本文中，我們選取了大量前人的研究成果，來研究提高WAAM鋁構件機械性能的各種嘗試。討論了在鋁合金上應用WAAM技術所面臨的挑戰(zhàn)。本文的主要目的是對不同條件下沉積鋁構件的機械特性進行詳細的了解。

1. 介紹

鋁合金被廣泛應用于各種產(chǎn)品，包括飛機部件、航空航天部件和造船工業(yè)，與其他金屬相比，它們的強度與重量比較高，因此需要超塑性。具有超塑性的產(chǎn)品材料是特別設計的，以提高機械性能和成形性能。許多制造技術如擠壓，軋制，鍛造，攪拌鑄造，攪拌摩擦加工和不同的工藝已經(jīng)被采用來制造，提高和得到超塑性產(chǎn)品材料。

近年來，許多研究人員采用增材制造(AM)工藝制造鋁構件。與傳統(tǒng)制造業(yè)相比，它們有一些獨特而有趣的優(yōu)勢。在這些優(yōu)點中，通過添加沉積材料的連續(xù)層來創(chuàng)建組件，只需使用制造組件所必需的材料，就可以減少材料浪費。以焊機為熱源的AM工藝具有成本低、質量好、效率高、靈活性好等特點。AM的其他好處包括降低工具成本，更好的組件質量，對環(huán)境的影響更小。此外，AM技術通常用于獲得復雜的機械設計和結構。圖1展示了一些用AM工藝制作的鋁產(chǎn)品。

圖1 部分鋁產(chǎn)品采用WAAM工藝制造。

在大尺寸零件的制造過程中，消除成本和節(jié)省時間是WAAM所能代表的基本好處，這使得WAAM在許多行業(yè)得到了廣泛的應用。與從固體中切割相比，原料重量與產(chǎn)品本身的比例要低得多，盡管不像其他AM技術那樣低。另外，產(chǎn)品尺寸是強度的一個基本點，也受到機械手可達到的工作體積的限制。用這種工藝制造的鋁合金零件無尺寸限制，且取決于焊接設備。

利用AM工藝制造并改善鋁件的性能進行了多項研究。選擇性激光熔化(SLM)和選擇性激光熔化(WAAM)是這些工藝中最常用的技術。主要步驟和構建過程開始創(chuàng)建一個CAD模型，轉換和切片后，逐層構建。SLM使用粉末床和激光束作為熱源來制造產(chǎn)品。SLM已被用于制造鋁蜂窩晶格結構，具有多種產(chǎn)品，如振動阻尼器、電池電極收集器和隔熱。用SLM制備的結構質量通常由粉末性能、熔化參數(shù)和結構幾何形狀決定。

充滿顆粒氣凝膠的半透明雙層玻璃窗示意圖。

基于SiO2 NPs的氣凝膠的典型尺寸范圍為10-100 nm，用于限制半透明窗口的熱損失(上圖)。杰出的絕緣和光學性能已報告與雙層玻璃半透明窗。事實上，氣凝膠窗的熱損失甚至比三e玻璃窗和不透明的隔熱層還要低。氣凝膠可以通過多種工藝獲得。通常，NPs被用作生產(chǎn)這些氣凝膠的原料。

大尺寸零件的制造與合理的制造時間相結合，要求較高的沉積速率。這導致了一些妥協(xié)，如表面質量和階梯效果。因此，AM技術不能提供凈形零件或低精度的大尺寸零件。這些缺點造成加工時間長，材料浪費大。整個部分需要由襯底支撐，襯底應由與所用饋線兼容的材料制成。

2. 鋁合金采用WAAM技術

利用WAAM成功制備了(2xxx)系列、(4xxx)系列和(5xxx)系列鋁合金。然而，由于(6xxx)系列和(7xxx)系列存在缺陷和熔池不穩(wěn)定，使用WAAM技術制造(6xxx)和(7xxx)系列存在困難。研究發(fā)現(xiàn)，只有復雜結構和大尺寸的部件，WAAM工藝在經(jīng)濟上優(yōu)于傳統(tǒng)的制造工藝。

工業(yè)PH鋁合金的加工步驟順序和組織發(fā)展。

在鋁WAAM工藝中，每臺焊機都可以作為熱源，但最常用的是鎢極氣體保護焊(GTAW)、氣體保護焊(GMAW)、冷金屬轉移焊(CMT)和等離子弧焊(PAW)。由于在WAAM過程中，材料應在同一方向內(nèi)連續(xù)流動，所以偏愛GMAW。因為導線被鼓勵通過，火炬，它可以一直保持正常的與襯底。不同的是，在GTAW和PAW工藝中，材料的投料方向可以改變，使工藝描述更加復雜。因此，對[53]鋁合金采用GMAW焊接工藝是比較合適的。

在GMAW工藝中，工件的金屬與焊條之間形成電弧，焊條為自耗線。導線通過GMAW設備直接進入基體表面。GMAW有四種金屬轉移方式:噴涂、脈沖噴涂、短路和球狀。每種模式都具有與焊接設備、電極類型和焊接電源相關的獨特特征。GMAW有一個改進的過程叫做CMT。通常采用焊接機器人來完成焊接過程，采用具有可控制的切入轉移模式的機構。CMT具有高沉積速率和低熱輸入，因此它被廣泛應用于AM的應用，特別是鋁制品。

GTAW焊接工藝參數(shù)圖。

GTAW工藝是最常見的鈦焊接工藝之一，因為這為焊工提供了一個高水平的控制過程，以避免缺陷的形成和提供一致的質量。一般來說，GTAW的過程窗口是由焊接電流范圍和形成無缺陷焊縫所需的移動速度來定義的，并避免在高移動速度下由于流動不穩(wěn)定而引起的局部滲透、欠切或駝峰，如上圖所示(Short, 2009)。

與GMAW工藝不同，PAW和GTAW具有非消耗性焊條用于焊接。所述填充絲通過所述電弧以面向所述襯底表面的可變方向饋電。沉積方向的變化影響了沉積產(chǎn)物的特性和質量。GMAW和PAW之間有一些區(qū)別。在等離子弧中，隨著溫度的升高，電弧有一個較窄的區(qū)域，使熔珠相對較窄。PAW電弧的熱輸入比GMAW電弧的熱輸入增加了兩倍，使焊縫尺寸減小，且在高行程速度(TS)下減小。

3.鋁合金WAAM應用面臨的挑戰(zhàn)

零件材料的設計對其在惡劣條件下的承受能力有重要影響，特別是在飛機和航空航天零件中。該部件的任何故障都將導致此應用程序的不良后果。WAAM工藝造成的一些缺陷，如孔隙度、殘余應力和變形、裂紋和組織不均勻等，是需要消除的主要挑戰(zhàn)。這些缺陷的發(fā)生可能與熱積累引起的熱變形、參數(shù)選擇不當導致的熔池不穩(wěn)定、編程策略不良、環(huán)境影響(如氣體污染)和機器故障有關。

等通道正向擠壓(ECFE)工藝示意圖。

氣孔缺陷是限制WAAM技術在鋁構件制造中的應用的基本因素。采用WAAM工藝制備的鋁合金的氣孔與采用熔焊方法制備的鋁合金的氣孔相似，其氣孔形成的主要原因是氫氣。在所制造部件的凝固過程中，在固-液界面處，新近創(chuàng)建的固相將飽和的氫排斥到液相中。由于氫的累積量，它在液體中的溶解度超過了極限。鋁的高導熱系數(shù)導致熔池從底部向中心快速凝固。鋁WAAM工藝中氫的主要來源是填充絲。金屬絲表面可能含有一些雜質，如油脂、碳氫化合物、水分等，這些雜質在汽化后可轉化為原子氫，然后被熔池中的鋁液吸收。與焊接相比，WAAM產(chǎn)生的鋁件中的氫氣孔難以控制，因為填充絲進入焊接池的體積較大。

分層是一種由鉆削引起的層間破壞現(xiàn)象，是鉆削復合材料層合板時公認的主要損傷之一。刀具設計直接影響分層的發(fā)生。下圖為分層損傷示意圖及分層區(qū)域計算。

(A)剝離、推起分層現(xiàn)象的機理;(B)鉆孔面積為所鉆孔;(C)分層區(qū)域識別;(D)基于損傷面積的分層計算。

沉積的部件暴露在幾次熱膨脹和收縮過程中，產(chǎn)生殘余應力和變形。它們的發(fā)展機理與熔焊相似。WAAM過程在生產(chǎn)的部件上引起熱循環(huán)，導致先前制造的層的部分熔化和非等溫加熱。這是WAAM技術逐層構建機制的結果。殘余應力對沉積構件有許多不能完全避免的影響。它們會引起構件變形、層合損失、斷裂和疲勞阻力降低。當殘余應力大于零件材料的極限強度時，如果殘余應力大于屈服強度(YS)，低于極限抗拉強度(UTS)，則會導致材料斷裂或塑性變形。

裂紋缺陷特別適用于采用WAAM技術生產(chǎn)的鋁制品。WAAM技術不僅導致了這一現(xiàn)象，而且還與鋁合金的性能有關，如較寬的凝固溫度范圍、晶粒結構和合金元素。它可以是材料內(nèi)部的晶界裂紋或凝固裂紋，這取決于材料的凝固性質。當晶粒組織粗大，晶界含有粗大的第二相顆粒時，會發(fā)生凝固裂紋。在鋁構件的WAAM過程中，當晶界含有低熔體時，會引起熱裂紋。層與層之間材料的不完全熔化會導致另一種類型的裂紋，稱為分層或分離。其中最大的損傷缺陷之一是微孔，微孔會導致鋁構件強度和韌性下降，導致疲勞失效。據(jù)報道，微孔隙可作為裂紋萌生和擴展的場所。它可以提高應變集中，導致材料屈服和斷裂。

不同水遷移距離和LWA體積百分比對保護水泥漿體體積的影響。

材料在焊接過程中經(jīng)歷了一個復雜的熱循環(huán)。這意味著,上述物質將暴露在快速加熱融化溫度引起的焊接設備生成的能量,然后快速凝固在移動熱源后,和幾個加熱和逐步加溫過程中產(chǎn)品的沉淀一層一層地建造。因此，WAAM沉積材料的每一層產(chǎn)生的相沒有平衡成分和不均勻的微觀組織(粗晶和細晶)。這使得WAAM制品的成分和微觀結構建模變得更加困難和具有挑戰(zhàn)性。

本文著重介紹了WAAM技術制備的鋁構件的性能。表1列出了試圖改善WAAM制造的鋁部件性能的不同發(fā)表文章的比較，并提供了一些建議，以限制各種工業(yè)應用中使用WAAM技術制造鋁合金所面臨的挑戰(zhàn)。同時，本文也有助于研究人員和制造商指出近年來鋁合金性能的改進及其應用。

表1 對最近發(fā)表的不同文章的比較。

4. 提高WAAM鋁制件的質量

要實現(xiàn)產(chǎn)品所要求的目標，最重要的問題之一就是產(chǎn)品制造工藝的選擇。WAAM工藝近年來被廣泛應用于鋁零件的制造中，但仍有許多缺陷需要進一步研究。采用WAAM工藝制作的鋁件需要進行后處理，以消除產(chǎn)生的缺陷(氣孔、殘余應力和變形、裂紋)，提高材料性能。沉積質量的問題可以通過應用適當?shù)暮筇幚韥硐?。為了?yōu)化WAAM參數(shù)，并找出這些缺陷的局限性，提高材料性能，開展了多項研究。本節(jié)將重點介紹應用的后處理和WAAM參數(shù)的優(yōu)化，以提高WAAM制造的鋁構件的質量。表2列出了應用后處理來提高WAAM制造的鋁構件質量的不同調查的比較。

表2 應用后處理消除缺陷的不同調查的比較。

后處理熱處理被廣泛應用于消除殘余應力。在決定采用后處理熱處理時，應考慮材料的特性及其應用。熱處理后，上部微孔數(shù)密度降低17.1%，下部微孔數(shù)密度降低23.9%，但平均孔徑增大。采用高溫固溶處理可以消除元素的偏析，提高元素的溶解度，從而提高合金的性能。

層間軋制會受到軋輥施加的壓力的影響，從而產(chǎn)生較大的應變。每一沉積層都經(jīng)歷層間軋制過程。原子氫的吸收是由于大量的真空、位錯和引入的應變引起的。Gu等研究了不同軋制載荷(15、30和45KN)下層間軋制對兩種不同鋁絲孔隙形成的影響。他們證明，層間滾動導致扁平化的孔隙，以扁球形。加載45kn后，孔隙消失。分離的原子氫被困在位錯中，從而導致滾動。Sun等研究了激光沖擊強化對2319鋁合金殘余應力的影響。結果表明:在100 MPa左右，殘余應力狀態(tài)由拉伸狀態(tài)變?yōu)閴嚎s狀態(tài);這種組合策略提供了更多的質量控制。

5. 提高WAAM鋁件的性能

該方法制備的鋁構件的機械性能和顯微組織有待進一步提高，以供工程應用。更多的研究是通過控制制造參數(shù)，線材性能，電弧模式，以及應用后處理來調節(jié)WAAM制造鋁件的組織和機械特性。工藝參數(shù)的選擇是電弧添加劑加工零件材料性能的一個重要方面。應確定工藝參數(shù)，以達到評價所得產(chǎn)品機械性能和顯微組織特征的最佳設置。研究人員進行了幾項研究，以評估沉積電流、TS和送絲速度(WFS)對鋁構件的影響，如下部分所述。Su等研究了熱輸入(調節(jié)WFS和TS)對ER5356絲CMT工藝制備的al - mg合金組織的影響。通過改變熱輸入，合金中出現(xiàn)了α相(Al)和β相(Al3Mg2)兩種次生相，形成了細小的等軸晶，而不是大柱狀晶。斷口形貌顯示，試樣具有典型的韌窩斷裂特征，如圖2所示。隨著WFS的減小或TS的增大，單位面積韌窩的數(shù)量和尺寸減小/增大。

圖2 試樣不同位置斷口的SEM圖像。

研究了TS(150、250、350、450 mm/min)對waam加工2219鋁合金機械性能和顯微組織的影響。結果表明:隨著溫度的增加，熱輸入減小，凝固速度加快，等軸晶粒的體積分數(shù)和尺寸減小;當溫度從150 mm/min增加到350 mm/min時，復合材料的UTS和YS分別增加了11.58%和11.96%，而當溫度進一步增加到450 mm/min時，復合材料的UTS則下降，這主要是由于復合材料的冷卻速度過快所致。當TS從150 mm/min增加到450 mm/min時，El增加了45.45%。顯微硬度值的讀數(shù)也隨晶粒形貌的變化而變化，如圖3所示。

圖3 幾個TS值下的顯微硬度值的讀數(shù)。

Su等人使用WAAM-CMT工藝，通過三種不同的沉積策略(Line 90°、Cycle Line 90°和Line 45°)制備了4043 al - 5si合金組件。他們評估了這些策略對合金組織和拉伸性能的影響。結果表明，所有的沉積組分具有相同的相組成，但根據(jù)所采用的策略，每個沉積組分都有自己的層尺寸、晶粒尺寸和Si形貌。沉積策略導致的冷卻速度導致了不同的顯微組織特征和不同的Si形貌。結果表明，45°線法沉積的材料強度較高(UTS為223.2 MPa, YS為141.8 MPa)，伸長率較低(El為10.6%)。這與它們較細的晶粒尺寸和微觀結構有關。

Ma等研究了CMT設備工藝增材制造的205A鋁件的拉伸行為、氣孔特征、a-Al晶粒和Al2Cu相的影響。優(yōu)化的工藝參數(shù)為:TS為0.3 m/min，進給速度為4.5m/min，電壓為12.1 V，電流為84 a，層間停留時間為30 s。高的凝固速度使沉積部位的a- Al晶粒細化程度更高。結果表明，205A鋁構件可以在不產(chǎn)生裂紋的情況下制備，Al2Cu相的細化程度較低，增強了抗拉強度，如圖4所示。但孔隙度較高的微尺度球形孔隙(3.51%)是塑性輕微退化的主要原因。

圖4 (a)代表性拉伸曲線(b)微觀組織形貌的SEM圖像。

在另一項研究中，利用變極性-CMT(純CMT、CMT+Pulse (CMTP)和VP-CMT)設備和層間等待時間研究了Al-6Mg合金構件的組織和機械特性。與其他電弧模式相比，VP-CMT模式可使柱狀晶轉變?yōu)榈容S晶和細化晶，這是因為該模式可降低熱輸入，提高機械性能。所制備的Al-6Mg合金零件的UTS比標準的Al-6Mg合金增加了2.77%。但拉伸性能在橫向和縱向上呈各向異性，其范圍為8-27%，如圖5所示，這是由微孔造成的。Ayarkwa等進行了一項研究，評估了電極正時間周期(% EP)對ER5556鋁線的微觀結構、機械行為和氧化物去除的影響。結果表明，較高的EP值使晶粒尺寸明顯增大，但不影響其機械性能。

圖5 不同拉伸方向的UTS及其各向異性百分比。

金屬絲材料在提高堆焊件性能方面具有重要作用，因此應專門開發(fā)用于控制該堆焊件的機械行為、組織特征和化學成分的材料。WAAM沉積組件滿足其目的的效率很大程度上受線材性能的影響。更多的研究是使用之前制備的填充線來使用WAAM沉積零件。

Gu等利用al - cu4.3 - mg1.5組合物制造了一種金屬絲，并將其作為CMT工藝制造組件的填充材料。研究了熱處理前后沉積零件的性能。主要結果顯示，沉積態(tài)成分組織具有等軸晶、分層分布的枝晶和數(shù)量較少的柱狀晶，如圖6(a-c)所示。第二相顆粒(θ + S)沿晶界呈網(wǎng)狀分布，但T6熱處理后共晶相溶解，如圖6(d)所示。熱處理后的顯微硬度(161.4 HV)比熔敷后提高51%。熱處理后的UTS和YS在縱向上分別提高了66%和116%。機械性能顯著改善的原因是S '析出物的高密度析出，盡管拉伸性能因微孔缺陷的形成而呈各向異性。

圖6 As-deposited部分微觀結構;(a)一般視圖金相圖;(b,c) (a)中的封閉區(qū)域被放大。(d) T6熱處理后的零件組織。

向ER2319 Al（Al-6.3%Cu）沉積組分中添加預定量的鎂可增強其強度性能（UTS:280MPa，YS：水平方向從156 MPa增加到187 MPa，El:8.2%–6%），與未添加鎂（UTS:237，YS:112，El:10.7%）相比，塑性降低。通過建立雙WAAM系統(tǒng)，實現(xiàn)了鎂元素的添加。采用鋁銅ER2319線和鋁鎂ER5087線作為填充材料，實現(xiàn)了該工藝。通過控制送絲速度，制備了不同成分的Al–Cu–Mg成分。結果表明，沉積組分具有非均勻分布的顯微組織特征，由細小的等軸晶和粗的柱狀晶組成。如圖7中沉積零件的XRD結果所示，在低Mg和高Cu含量下，強化相從Al2CuMg轉變?yōu)锳l2Cu+Al2CuMg。顯微硬度隨Cu/Mg比的增加而增加，加入Mg元素可提高顯微硬度。讀數(shù)分別為86、90和95 HV，比率為3.6Cu/2.2 Mg、4Cu/1.8 Mg和4.4Cu/1.5 Mg，與Bai等人獲得的值（77.5 HV）相比，顯微硬度有所提高。

圖7 (a) 3.6Cu/2.2 Mg時的XRD譜圖;(b) 4銅/ 1.8毫克;(c) 4.4立方/ 1.5毫克。

Wang, sual等人利用ER5356線采用CMT技術制備Al-Mg合金構件時，在中間層中添加Ti粉。結果表明，加入Ti粉后，Al3Ti相形成，柱狀晶粒在層間轉變?yōu)榈容S晶粒，晶粒尺寸得到細化，如圖8所示。垂直和水平方向的拉伸性能均得到改善，硬度提高了5 ~ 10 HV。

圖8 (a)無Ti的WAAM構件層間組織; (b) 用Ti以后。

另一項改善CMT沉積零件性能的研究是采用后熱處理。從上到下，各組分的微孔形態(tài)和數(shù)量變化明顯。A357合金的拉伸性能接近于各向同性。熱處理后的鋁基體形成納米顆粒，提高了合金的強度和顯微硬度。2024鋁合金鍍層通過固溶處理(485℃，498℃，503℃)，保持90 min，水淬后自然時效(室溫下48 h)提高了鍍層性能。如圖9所示，在503℃固溶處理溫度(UTS: 497 MPa, YS: 330 MPa, EL: 16%，顯微硬度143HV)下，合金的機械性能有所提高，使沉積的構件滿足應用要求。

圖9 (a)顯微硬度，(b)不同條件下的拉伸性能。

將層間軋制工藝作為鋁件WAAM的后處理工藝，會影響鋁件的顯微組織;原始粗大的晶粒變形為非常精細的晶粒。軋制WAAM合金通過晶粒細化、亞組織和高密度位錯引起的變形得到強化。Al-Mg4.5-Mn合金通過采用可變軋制載荷(15,30和45KN)的層間軋制引起的變形獲得了良好的機械性能。屈服應力、UTS和平均顯微硬度分別提高了69%、18.2%和40%。變形過程后，組織中粗大的晶粒變得更加細化。晶粒細化強化、固溶強化和變形強化是主要的強化機制。

6. 結論及未來工作

綜上所述，鋁件WAAM技術是飛機、航空航天等工業(yè)應用中需要大規(guī)模采用的重要制造工藝。有充分的證據(jù)表明，這種增強的性能和消除的缺陷可以通過使用適當?shù)闹圃靺?shù)和后處理的沉積組件提供。對于未來的工作，根據(jù)上述文獻總結出以下展望和結論:

1，造成鋁合金WAAM缺陷的主要原因是參數(shù)選擇不當、編程策略不佳和熔池不穩(wěn)定。

2，此外，還存在材料性能不一致、沉積部位缺陷廣泛、成形不均勻等缺陷。

3，結果表明，CMT工藝是對GMAW工藝的一種改進，是一種較好的鋁WAAM工藝。

4，低熱輸入和層間軋制、熱處理等后處理，消除了殘余應力、變形和微孔分布數(shù)量。

5，后處理技術的應用對解決WAAM制造鋁合金的難題有很大的幫助。但是，工藝參數(shù)的優(yōu)化仍然是一個復雜的過程，因為需要優(yōu)化的參數(shù)很多。因此，在WAAM過程中，需要利用人工智能方法實時調節(jié)沉積參數(shù)。

6，熱輸入的減少導致凝固速率的增加，導致等軸晶粒的體積分數(shù)和尺寸減小。

7，VP-CMT技術使柱狀晶轉變?yōu)榈容S晶和細化晶，降低了熱輸入，提高了鋁合金的機械性能。

8，此外，金屬絲材料的性能對WAAM沉積構件的機械性能有很大的影響

9，在沉積構件中加入預先確定的適量的元素，如鎂或鈦粉，可提高構件的強度性能。

10，背靠背的建造策略被提出作為一個可能的過程，以消除變形和殘余應力平衡。

基于上述展望和結論，盡管近年來鋁的WAAM領域取得了很大的進展。但仍存在一些挑戰(zhàn)，需要研究人員進一步完善。這些挑戰(zhàn)表現(xiàn)在材料性能的不一致、沉積部分的廣泛缺陷和缺乏構建均勻性。有些問題需要進一步調查:

?垂直方向的性能(各向異性)有待研究人員進一步改進。

?此外，研究WAAM工藝沉積的鋁構件的性能需要更多的分析爆炸、調查和詳細解釋。

?利用人工智能方法對WAAM工藝因素進行優(yōu)化，以提高WAAM工藝制備的鋁件的性能。

?電弧穩(wěn)定性、表面沉積的形成、電壓和電流的測量波動以及制造的熱歷史需要更多的分析來研究它們對WAAM工藝的影響。

?線材內(nèi)和線材上的氫含量必須用合適的技術進行分析，因為它是鋁合金中氣孔形成的原因。

?線材的微觀結構對氣孔率和電弧穩(wěn)定性有一定的影響，因此，線材的微觀結構還有待進一步研究。

來源：Enhancing the properties of aluminum alloys fabricated using wire +arc additive manufacturing technique - A review，Journal of MaterialsResearch and Technology，doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.04.076

參考文獻：Z. Huda, P. Edi，Materials selection in design of structures and engines ofsupersonic aircrafts: a review，Mater Des, 46 (2013), pp. 552-560