電弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）技術被認為是制造大型鈦合金構件最具前景的增材制造技術之一。然而，成形過程穩(wěn)定性差、成形件表面質量及尺寸精度低是制約WAAM鈦合金構件推廣運用的主要瓶頸，對WAAM成形過程進行實時監(jiān)測及反饋控制是解決這一難題的重要研究方向，也是當前WAAM鈦合金研究的熱點之一。

      對于WAAM鈦合金的高效穩(wěn)定成形而言，成形機制的研究是基礎，工藝及裝備的優(yōu)化是保證，成形過程的監(jiān)測與控制是關鍵。《稀有金屬》期刊中發(fā)表的《電弧增材制造鈦合金成形工藝與過程控制》一文，簡要介紹了WAAM鈦合金的成形工藝、裝備及其運用，指出了成形件組織及力學性能的特點及其調(diào)控方法。通過對WAAM鈦合金常見缺陷及其形成機制的分析，指出了WAAM裝備設計與工藝優(yōu)化的方向。總結了WAAM成形過程中基于視覺信號、電信號、聲信號及多信號融合的在線監(jiān)測方法，綜述了成形過程控制方法及控制系統(tǒng)的發(fā)展。最后，對全文進行了總結，展望了未來WAAM鈦合金成形與控制領域值得深入研究的方向。本期谷.專欄將分享該文的要點。

 圖文速覽

圖1 3種WAAM常用熱源示意圖
Fig.1 Schematic diagram of three commonly used heat sources in WAAM（a）GMAW；（b）GTAW；（c）PAW

圖2 北京理工大學自主研發(fā)的WAAM成形裝備及其示意圖
Fig.2 WAAM equipment developed by Beijing Institute of Technology（a，a1）Single-wire arc additive manufacturing；（b，b1） Multi-wire arc additive manufacturing；（c，c1）Multi-wire and multiarc additive manufacturing

圖3 典型WAAM鈦合金構件
Fig.3 Typical Ti alloy components fabricated by WAAM（a）Large components used in fields of aerospace， national defense and nuclear energy；（b）I-beam structure；（c） Balance shaft of armored car；（d）Binding bearing of bundled rocket；（e）Load-bearing frame

圖4 電弧增材制造無支撐結構樣件
Fig.4 Unsupported structures fabricated by WAAM（a）Typical components；（b）Ti alloy lattice sandwich structure with large size

圖5 WAAM鈦合金成形件典型掃描電子顯微鏡（SEM）圖像
Fig.5 SEM images of WAAM titanium alloys（a）αGB and αWGB；（b）Basketweave structure

圖6 αGB，αWGB和網(wǎng)籃狀組織的成核及生長示意圖
Fig.6 Schematic of nucleation and growth of αGB，αWGB and basketweave structure

圖7 WAAM含硼鈦合金組織與斷口形貌
Fig.7 Boron modified Ti alloy fabricated by WAAM（a）β grain morphology（EBSD image）；（b，c）Longitudinal sections near fracture surface of tensile specimen observed under different magnifications（SEM images）

圖8 鈦合金成形件孔隙缺陷投影及其分布直方圖
Fig.8 All detected pores of two Ti alloy parts projected onto a single plane（a）Low-density part；（b）High-density part

圖9 商業(yè)化的WAAM成形裝備
Fig.9 Commercialized WAAM equipment（a）Developed by GEFERTEC GmbH；（b） Developed by AML3D

圖10 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的WAAM控制系統(tǒng)示意圖
Fig.10 Schematic of multi-sensor data fusion-based monitoring and control system of WAAM

 全文小結

WAAM技術是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ南冗M增材制造技術，為鈦合金構件的制造提供了一條新的技術途徑。為推進WAAM鈦合金構件的快速發(fā)展及工程推廣運用，應該繼續(xù)深入研究與“工藝-組織-性能”關系相關的基礎科學問題，如成形過程中所涉及的非平衡凝固行為和內(nèi)應力演化規(guī)律等材料基礎問題。同時，基于對“工藝-組織-性能”關系的先驗知 識 不 斷 研 發(fā) 及 改 進 成 形 裝 備 ，如 研 發(fā) 針 對WAAM鈦合金成形特點的專用熱源系統(tǒng)，一方面，可以通過增加輔助熱源的方式進一步提高成形過程的穩(wěn)定性；另一方面，采用多熱源同步工作的“多弧并行”增材制造方法突破單一熱源成形的效率極限，充分發(fā)揮WAAM在大型鈦合金構件成形中的效率優(yōu)勢。有了可靠的裝備作為保障，可以進一步發(fā)展智能化的在線監(jiān)測及集成控制系統(tǒng)，提升 WAAM鈦合金成形的自動化水平、智能化水平。機器學習算法已在WAAM成形過程中得到初步運用，要進一步發(fā)揮其在缺陷特征識別以及工藝決策上的優(yōu)勢，實現(xiàn)對WAAM鈦合金構件生產(chǎn)制造全過程的監(jiān)測與控制。

論文引用信息：

魯 濤，敬石開，聶靖軒，徐田秋，李昌遠，劉長猛. 電弧增材制造鈦合金成形工藝與過程控制[J]. 稀有金屬，2022，47(5): 618-632.

Lu Tao，Jing Shikai，Nie Jingxuan，Xu Tianqiu，Li Changyuan，Liu Changmeng. Wire Arc Additive Manufacturing of Titanium Alloy：Forming Process and Process Control[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2022, 47(5): 618-632.

(責任編輯：admin)

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