南京航空航天大學王長瑞研究員團隊：金屬材料電弧熔絲增材制造研究現狀與質量改進方法
隨著航空航天工業的發展，對大規模、集成化、輕量化和復雜制造的需求不斷增加，而傳統的制造模式逐漸難以滿足上述需求。近年來，增材制造作為一種極具發展潛力的新型制造技術，吸引了大量研究人員的關注。與傳統制造不同，增材制造不是通過材料去除，而是通過“預定軌跡，逐層堆積”的方法來實現零件的制造。增材制造具有很高的工藝柔性，有利于制造過程的數字化、智能化和并行化。另外，作為一種非接觸制造工藝，其不受零件形狀與結構的限制，特別適用于制造復雜零件。上述特點使增材制造在復雜部件的快速、高效、近凈成形方面具有競爭力。在未來，增材制造很有可能取代傳統的制造方式，成為主流的制造技術。
南京航空航天大學王長瑞研究員團隊探討了不同金屬增材制造方法的特點與應用現狀，分析了金屬熔絲電弧增材制造的優勢以及所存在的一些成形缺陷，從預處理(數值模擬、切片算法、路徑規劃)，過程監控和參數控制，后處理(軋制、表面處理、復合減法制造)三個方面出發，對電弧增材制造工藝控制，成形件性能提升方面進行了探討和展望。
相關論文以題為“Research status and quality improvement of wire arc additive manufacturing of metals ”，發表在《中國有色金屬學報（英文版）》。本期將分享該文的主要研究結論。
圖文解析
為了保證熔絲電弧增材制造的工藝穩定性，需要對電弧增材制造進行過程監控。根據傳感器類型，電弧增材在線監測系統可分為基于視覺感知、基于聲感知、基于光譜感知的和基于熱感知等不同類型。其中，超聲檢測是一種常用的缺陷檢測方法，它具有靈敏度高、精度高等優點。圖1所示為一種基于超聲與光譜感知的電弧增材制造復合在線監測裝置。該系統配備激光發射器，通過對材料表面進行激光燒蝕，激光燒灼激發出等離子體和超聲脈沖，從而產生光譜和超聲信號。利用超聲探頭和光譜儀采集超聲信號和光譜信號并進行分析，可得到成形件內殘余應力分布、元素分布和冶金缺陷等。
圖1 基于超聲與光譜感知的電弧增材制造復合在線監測裝置工作原理示意圖
軋制是一種廣泛應用的消除缺陷、改善組織和性能的技術。通過對成形件施加巨大的載荷，從而使材料內部晶粒破碎、組織產生細化和均勻化，從而提高力學性能。此外，軋制可以減少電弧增材制造中零件形成的有害拉應力，有效減少開裂和變形。如圖2所示，冷軋可有效破碎電弧增材制造成形件中的粗大柱狀晶。經軋制處理后，成形件內部形成細小的等軸晶組織，且晶粒細化程度隨著軋制力的增大而增大。
圖2 軋制對電弧增材制造成形件顯微組織的影響
增材制造過程完成后，有時需要添加減材制造步驟，以改善零件的表面質量以及尺寸精度。如圖3所示，在沉積過程中添加銑削工序，二者交替進行，直至零件完成。這種制造方法被稱為增減材復合制造工藝，用于生產復雜的內部結構，如冷卻流道和深溝槽等。
圖3 增減材復合制造原理示意圖
研究結論
目前，熔絲電弧增材制造存在多種成形缺陷。成形件在表面質量、微觀組織、力學性能等方面有待改進。在未來，金屬熔絲電弧增材制造的發展需要重點關注以下方面：
1)將數值模擬技術與實際實驗相結合，為電弧增材制造相關研究提供理論基礎與方向指導。
2)由于熔絲電弧增材制造較為開發，易受多種因素影響，穩定性和抗干擾性較差。因此需要開發熔絲電弧增材制造在線監測和控制系統，確保沉積過程中的工藝穩定性，實現熔滴的形態控制以及最終成形件的質量控制。
3)探究適用于熔絲電弧增材制造的后處理工藝，包括機械法與熱處理法等。將熔絲電弧增材制造與相關后處理工藝相結合，以改善成形件表面質量，消除殘余應力和變形，減少內部缺陷同時提高力學性能。
Yan-peng LI, Chang-rui WANG, Xiao-dong DU, Wei TIAN, Tao ZHANG, Jun-shan HU, Bo LI, Peng-cheng LI, Wen-he LIAO. Research status and quality improvement of wire arc additive manufacturing of metals [J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2023,33(4):969-996.
https://doi.org/10.1016/S1003-6326(23)66160-6
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