等離子沉積應用于增材制造Ti-6AI-4V的優勢研究
時間：2022-10-12 10:22 來源：先進增材工藝 作者：admin 閱讀：次
增材制造下材料利用率及設計靈活度較高，這符合當代可持續發展要求，在眾多工藝中具有顯著優勢。等離子絲沉積是一種將等離子焊接與送絲相結合的新型增材制造（ALM）技術。本文建立了Ti-6Al-4V工藝的工作包絡線，并計算了回歸模型的總壁寬、有效壁寬和層高。等離子絲沉積工藝能夠產生寬度達17.4
mm的直壁，加工后最大有效壁寬為15.9 mm，比其它工藝所得要寬得多。此外，Ti-6Al-4V的平均沉積率為93%，最大沉積速率為1.8
kg/h。沉積過程中，β相粗柱狀晶粒從基體生長，冷卻后轉變為α片層的Widmanstätten結構。在沉積中可發現帶，其具有大小不一的重復網籃組織結構。通過微壓痕硬度測試得到的平均強度為387
HV，比基體高出12%。這些初步數據表明，等離子絲沉積工藝可能適用于大型航空航天部件的增材制造。
1.簡介
根據Baufeld et al.(2010)研究，增材制造是一種通過連續多層沉積特定材料來制造復雜、近凈形狀組件的技術。Akula 和 Karunakara(2006)介紹了增材制造的首次應用，稱其能使塑料制品快速成型、縮短產品開發時間并延長產品壽命。此后，相關研究逐漸轉向金屬沉積，目標主要聚焦于那些加工難度較大或成本較高的金屬材料，要求是盡量減少浪費。金屬增材制造技術因熱源和進料形式而異。Kruth et al.(2007)對選擇性激光熔化進行了廣泛研究，其中包括激光掃描粉床。為生產出牢固結合的復合材料，Wang et al.(2006)研究了Ti-6Al-4V直接激光制造，可同時提供吹粉和饋線。選擇性激光熔化可以用電子束熔化替代：Murr et al.(2010)使用該工藝制造了Ti-6Al-4V 多孔泡沫增材層。為提高沉積率，已將電弧焊接技術運用于增材制造。Baufeld et al.(2010)采用GTAW焊接從高純氬氣中成功制造出Ti-6Al-4V管狀元件。Sequeira和Williams(2010)通過CMT焊接和GMAW沉積艙外沉積Ti-6Al-4V。該工作還開發了一個流程模型，其可為給定單臂形狀選擇最合適幾何參數。盡管存在一些將等離子焊接工藝與送粉相結合的研究(Xiong,2008; Zhang et al,2003)，但據作者所知，目前沒有任何相關文章的發表。
在構建非垂直部件時，所有基于粉床的技術都需要支撐結構。雖然使用激光技術輔助可以得到更高的尺寸精度，但也存在一些問題。首先，使用激光技術沉積率較低，如 Zhang et al.（2003）所得，其值通常為 9-120 g/h。其次，在其掃描路徑中，激光點可能會影響比激光焊道本身更大的區域，從而產生球化現象，Tolochko et al.(2004)對此進行了描述。最后，僅通過目前可用設備，很難使用粉床技術生產出大于300 mm×350 mm×300 mm的零件。
在制造大型構件方面，線材技術較之粉末技術優勢更大：線材技術沉積率可高出十倍以上，并且在構建部件尺寸上不受限，前提是機械手足夠大并且可以在焊接炬實施保護氣焊。此外由于所有送入焊絲都進入熔池，此過程污染較少。而與此相對的是，許多粉末技術在回收過程中使用的粉末會造成污染。
雖然Sequeira Almeida和Williams(2010)之前的研究已經證明使用GMAW焊接可生產出1000 mm×200 mm×4 mm鈦合金壁，但本文主題為研究并探討等離子絲沉積特性。如Messler(1999)所述，非轉移等離子弧焊是非消耗性鎢電極(陰極)和銅陽極在焊槍內產生電弧的一種過程。惰性氣體(通常是氬氣)受力通過因陰陽極而形成的孔，從而收縮電弧。同其它沉積方式，如GTAW沉積相比，該工藝下能量密度更高，電弧穩定性更高且污染更少。Weman(2003)論述使用這種工藝焊接行進速度更快，質量也更好，因而將其運用到增材制造也可以產生同樣的優勢。此外，我們還將建立一個能夠預測沉積狀態主要幾何特征的模型。
2. 研究方法
2.1實驗裝置
用于等離子沉積的設備如圖1所示，包括：一個帶有100mm長拖護罩的Liburdi Engineering PW-400C等離子體焊接炬；一臺Liburdi Pulseweld LP4000-VC電源。等離子體和保護氣體均采用純氬氣。焊炬間距為7mm (可確保不發生碰撞)，電極復位為5mm (采取焊炬廠家建議)。實驗期間上述數據穩定不變。焊絲直徑為1.2 mm，焊絲從焊池前端進料，如圖1所示。線弧化學成分如表1所示。沉積操作階段以及相應的等離子體氣體、屏蔽氣體保護氣和尾流保護氣流速見表2。
2.2過程窗口確定初步實驗
將等離子沉積運用于增材制造屬創新之舉，通過數量34一組的初步單層(板上珠)實驗可以提前了解該工藝的大體情況并確定該工藝參數局限性。物理限制或參數組合不切實際會導致沉積無法實現。實驗設置與2.1所述相同。當兩個參數保持不變時，另一個在固定的步驟中變化，直到肉眼觀察沉積層，發現不可行組合。
2.3過程模型開發試驗
壁層14，長140mm。層沉積總是從同一端點開始。在每層開始沉積前，用不銹鋼絲刷和丙酮清洗盤子，以消除表面污染。使用200 mm×100 mm×7 mm參數的Ti-6Al-4V進行等離子沉積可得到三面增材制造直墻，先將此部分冷卻至100◦C，然后再沉積新層，以保持部件幾何形狀一致性。隨后實驗表明，基底溫度會影響液滴表面張力，而液滴表面張力又會影響沉積的幾何形狀。
在確定工藝約束因素后，MontGOMery(2005)選擇D-最優設計方法進行了實驗。最優設計由計算機生成，尤其適用于實驗區域不規則、模型不標準(即，實驗者事先知道某些交互作用不重要)和有一定樣本大小要求(即，為縮減大小必須進行多次運行)的情。Montgomery指出如果一個設計”使回歸系數向量上的聯合置信區域的體積最小化“，那它就是D-最優設計方法。在實驗中，實驗人員輸入約束方程，并指定與不必要的模型項和樣本大小有關的任何條件。然后，軟件運行一個算法，并返回具有最高D-最優的實驗集。
經過初步實驗和因素縮減，選取送絲速度(WFS) [X1]、行進速度(TS) [X2]和電流(I) [X3]作為模型因素。WFS是金屬絲進入熔池的速度[mm/s](圖1)；TS是機械手(也就是焊接炬)沿Y軸的運動速度[mm/s]；I [A]影響熱輸入。
模型中使用的三個反應為總壁寬、有效壁寬和層高，這些將在下一節中進行描述。由于三次行為是預期的，因而使用三階多項式方程進行匹配。
在此方程中，Y是預測反應，β0是常數的過程影響，βi是Xi的線性效應,βi 是Xi 的二次效應，βiii 是Xi 的三次效應，βij是一階的交互，βiij是二階的交互，β123是三階的交互。
本研究采用了Stat-Ease Design-Expert®7.1統計軟件，其可以創建評估一般析因設計，部分析因設計，響應面及優化設計。該軟件分析表明，計算全模型的回歸系數需要進行28次試驗。
2.4 測量
在距沉積起始點50 mm、80 mm和110 mm處測量沉積層高度。用平均值來確定下一層沉積的高度增量。在計算平均層高時，由于底板的熱效應，排除了前四層(圖2)。取橫斷面，放入樹脂，打磨，拋光，氫氟酸蝕刻，以便拍攝宏、微觀圖像。沉積壁面具有不規則的表面光潔度，因此需要進行加工操作以實現平面側面。將加工前后的寬度分別命名為總壁寬(TWW)和有效壁寬(EWW)，有效壁寬代表有效可用的寬度。如圖2所示。面積A為EWW圍成的橫截面積；區域B和C是需要通過加工操作去除的材料的橫截面區域。使用Adobe Photoshop® CS4測量寬度和面積。在Adobe Photoshop中，通過不同顏色突出顯示不同區域(A、B或C)。在定義圖像上比例后，用軟件計算相應區域。
圖2，一般零件截面示意圖。總壁寬考慮的是實驗對象的整個寬度，而有效壁寬只測量加工掉不規則側面后剩下的部分。區域A是有效壁寬的截面，區域B和C對應的是必須加工的截面。
表面波紋度計算公式為：
表面波紋度和沉積效率都表明了達到尺寸精度必須加工多少材料。
3.結果及討論
3.1 工作包絡線
對Ti -6Al -4V沉積的初步研究表明，各參數的范圍可以用以下公式表示：
20 ≤ wire feed speed ≤ 100（4）
2 ≤ travel speed ≤ 10 (5)
120 ≤ current ≤ 300（6）
160 ≤−5×wire feed speed+3×current(7)
-520 ≤−8×wire feed speed+current（8）
-200 ≤ wire feed speed–current（9）
0 ≤−wire feed speed+20×travel speed（10）
0 ≤ wire feed speed−5×travel speed（11）
-58 ≤−wire feed speed+6×travel speed（12）
圖3對這些進行了具象表示，認為它們可能與發生在工作包絡線之外的缺陷有關。WFS和TS的低限值是由于需要較高的沉積速率，因此沒有考慮較低的值。WFS（送絲速度）上限是由于硬件限制造成的。電流上限與WFS上限有關，300A是熔解WFS上限(100mm /s) 所需的電流。一方面，當熱輸入不足時，會發生不完全熔化(方程式(6) - (8)；圖3中B3、B4圖像)；另一方面，當熱輸入過大時，珠形均勻性會受到嚴重影響（方程式(9)；圖3中B1、B2圖像)。
高TS（行進速度）產生了一種程度更大的峰值（方程式(5)和(11)：圖3中A1-A3圖像）；高表面張力使液滴一接觸冷基體就凝固；WFS（送絲速度）越高，峰越大。這就是上層試驗裝置（TS）受限的原因。
3.2加工能力
典型沉積如圖4所示，圖5將其與其它工藝進行了比較。對于GMAW和GTAW工藝，只考慮采用艙外制造所得的比較數據，這些數據來自于Sequeira和Williams(2010)、Eze(2009)、milelwski et al.(1999)和Tolochko et al.(2004)的研究。注意，在基于激光的加工過程中，假定壁寬等于光斑大小。粉層激光沉積工藝的主要優點是特征尺寸小。最后還有一個有趣的現象，那就是等離子沉積可以優化GMAW-CMT工藝能力，后者生產所得壁度更薄且層數更高。因此，兩種工藝相結合，可以滿足任何幾何需求。
使用等離子沉積可得最大沉積速率為1.8公斤/小時；然而，它受到規格為100 mm/s送絲機的限制。該過程表明在功率和WFS都增加的前提下，沉積率就有可能進一步增加。表面起伏范圍為0.35 -1.51mm，平均值為0.70mm。平均沉積效率為93%，最大值為98%，最小值為85%。這些值遠高于GMAW-CMT工藝產出，其平均值約為80%(Sequeria Almeida& Willliams,2010)。只考慮沉積時間的話，沉積14層所需時間范圍為3分16秒到16分20 秒，取決于行進速度。前四層寬度約為總壁寬的77%，后4層有效壁寬的88%。在實踐中，前四層需要不同的參數以產生更大的有效壁寬。對該內容，本研究不做探討。
所有標本的橫截面都顯示出一個共同的宏觀結構，經過沉積過程，先前的β柱狀晶粒從底板（圖7a）中生長出來。在增層制造背景下中，Baufeld et al.(2010)，描述了Ti-6Al-4V 如何在以立方β為中心的體中凝固，然后在1000℃以下冷卻時部分轉變為被六邊形閉合填充α相，周圍被β矩相包圍。所得晶粒比基板中的要大得多，這是外延晶粒生長（發生在沉積過程中）的結果，即有利晶粒生長，不利晶體不生長。優選方向即熱流方向。
此外，在微結構中還有一系列帶，它們在壁底部凸起，并垂直于壁頂部。這一特性將在下一章節進行討論。
1.簡介
根據Baufeld et al.(2010)研究，增材制造是一種通過連續多層沉積特定材料來制造復雜、近凈形狀組件的技術。Akula 和 Karunakara(2006)介紹了增材制造的首次應用，稱其能使塑料制品快速成型、縮短產品開發時間并延長產品壽命。此后，相關研究逐漸轉向金屬沉積，目標主要聚焦于那些加工難度較大或成本較高的金屬材料，要求是盡量減少浪費。金屬增材制造技術因熱源和進料形式而異。Kruth et al.(2007)對選擇性激光熔化進行了廣泛研究，其中包括激光掃描粉床。為生產出牢固結合的復合材料，Wang et al.(2006)研究了Ti-6Al-4V直接激光制造，可同時提供吹粉和饋線。選擇性激光熔化可以用電子束熔化替代：Murr et al.(2010)使用該工藝制造了Ti-6Al-4V 多孔泡沫增材層。為提高沉積率，已將電弧焊接技術運用于增材制造。Baufeld et al.(2010)采用GTAW焊接從高純氬氣中成功制造出Ti-6Al-4V管狀元件。Sequeira和Williams(2010)通過CMT焊接和GMAW沉積艙外沉積Ti-6Al-4V。該工作還開發了一個流程模型，其可為給定單臂形狀選擇最合適幾何參數。盡管存在一些將等離子焊接工藝與送粉相結合的研究(Xiong,2008; Zhang et al,2003)，但據作者所知，目前沒有任何相關文章的發表。
在構建非垂直部件時，所有基于粉床的技術都需要支撐結構。雖然使用激光技術輔助可以得到更高的尺寸精度，但也存在一些問題。首先，使用激光技術沉積率較低，如 Zhang et al.（2003）所得，其值通常為 9-120 g/h。其次，在其掃描路徑中，激光點可能會影響比激光焊道本身更大的區域，從而產生球化現象，Tolochko et al.(2004)對此進行了描述。最后，僅通過目前可用設備，很難使用粉床技術生產出大于300 mm×350 mm×300 mm的零件。
在制造大型構件方面，線材技術較之粉末技術優勢更大：線材技術沉積率可高出十倍以上，并且在構建部件尺寸上不受限，前提是機械手足夠大并且可以在焊接炬實施保護氣焊。此外由于所有送入焊絲都進入熔池，此過程污染較少。而與此相對的是，許多粉末技術在回收過程中使用的粉末會造成污染。
雖然Sequeira Almeida和Williams(2010)之前的研究已經證明使用GMAW焊接可生產出1000 mm×200 mm×4 mm鈦合金壁，但本文主題為研究并探討等離子絲沉積特性。如Messler(1999)所述，非轉移等離子弧焊是非消耗性鎢電極(陰極)和銅陽極在焊槍內產生電弧的一種過程。惰性氣體(通常是氬氣)受力通過因陰陽極而形成的孔，從而收縮電弧。同其它沉積方式，如GTAW沉積相比，該工藝下能量密度更高，電弧穩定性更高且污染更少。Weman(2003)論述使用這種工藝焊接行進速度更快，質量也更好，因而將其運用到增材制造也可以產生同樣的優勢。此外，我們還將建立一個能夠預測沉積狀態主要幾何特征的模型。
圖1 等離子沉積實驗裝置示意圖
2. 研究方法
2.1實驗裝置
用于等離子沉積的設備如圖1所示，包括：一個帶有100mm長拖護罩的Liburdi Engineering PW-400C等離子體焊接炬；一臺Liburdi Pulseweld LP4000-VC電源。等離子體和保護氣體均采用純氬氣。焊炬間距為7mm (可確保不發生碰撞)，電極復位為5mm (采取焊炬廠家建議)。實驗期間上述數據穩定不變。焊絲直徑為1.2 mm，焊絲從焊池前端進料，如圖1所示。線弧化學成分如表1所示。沉積操作階段以及相應的等離子體氣體、屏蔽氣體保護氣和尾流保護氣流速見表2。
表1
表2
2.2過程窗口確定初步實驗
將等離子沉積運用于增材制造屬創新之舉，通過數量34一組的初步單層(板上珠)實驗可以提前了解該工藝的大體情況并確定該工藝參數局限性。物理限制或參數組合不切實際會導致沉積無法實現。實驗設置與2.1所述相同。當兩個參數保持不變時，另一個在固定的步驟中變化，直到肉眼觀察沉積層，發現不可行組合。
2.3過程模型開發試驗
壁層14，長140mm。層沉積總是從同一端點開始。在每層開始沉積前，用不銹鋼絲刷和丙酮清洗盤子，以消除表面污染。使用200 mm×100 mm×7 mm參數的Ti-6Al-4V進行等離子沉積可得到三面增材制造直墻，先將此部分冷卻至100◦C，然后再沉積新層，以保持部件幾何形狀一致性。隨后實驗表明，基底溫度會影響液滴表面張力，而液滴表面張力又會影響沉積的幾何形狀。
在確定工藝約束因素后，MontGOMery(2005)選擇D-最優設計方法進行了實驗。最優設計由計算機生成，尤其適用于實驗區域不規則、模型不標準(即，實驗者事先知道某些交互作用不重要)和有一定樣本大小要求(即，為縮減大小必須進行多次運行)的情。Montgomery指出如果一個設計”使回歸系數向量上的聯合置信區域的體積最小化“，那它就是D-最優設計方法。在實驗中，實驗人員輸入約束方程，并指定與不必要的模型項和樣本大小有關的任何條件。然后，軟件運行一個算法，并返回具有最高D-最優的實驗集。
經過初步實驗和因素縮減，選取送絲速度(WFS) [X1]、行進速度(TS) [X2]和電流(I) [X3]作為模型因素。WFS是金屬絲進入熔池的速度[mm/s](圖1)；TS是機械手(也就是焊接炬)沿Y軸的運動速度[mm/s]；I [A]影響熱輸入。
模型中使用的三個反應為總壁寬、有效壁寬和層高，這些將在下一節中進行描述。由于三次行為是預期的，因而使用三階多項式方程進行匹配。
在此方程中，Y是預測反應，β0是常數的過程影響，βi是Xi的線性效應,βi 是Xi 的二次效應，βiii 是Xi 的三次效應，βij是一階的交互，βiij是二階的交互，β123是三階的交互。
本研究采用了Stat-Ease Design-Expert®7.1統計軟件，其可以創建評估一般析因設計，部分析因設計，響應面及優化設計。該軟件分析表明，計算全模型的回歸系數需要進行28次試驗。
2.4 測量
在距沉積起始點50 mm、80 mm和110 mm處測量沉積層高度。用平均值來確定下一層沉積的高度增量。在計算平均層高時，由于底板的熱效應，排除了前四層(圖2)。取橫斷面，放入樹脂，打磨，拋光，氫氟酸蝕刻，以便拍攝宏、微觀圖像。沉積壁面具有不規則的表面光潔度，因此需要進行加工操作以實現平面側面。將加工前后的寬度分別命名為總壁寬(TWW)和有效壁寬(EWW)，有效壁寬代表有效可用的寬度。如圖2所示。面積A為EWW圍成的橫截面積；區域B和C是需要通過加工操作去除的材料的橫截面區域。使用Adobe Photoshop® CS4測量寬度和面積。在Adobe Photoshop中，通過不同顏色突出顯示不同區域(A、B或C)。在定義圖像上比例后，用軟件計算相應區域。
圖2，一般零件截面示意圖。總壁寬考慮的是實驗對象的整個寬度，而有效壁寬只測量加工掉不規則側面后剩下的部分。區域A是有效壁寬的截面，區域B和C對應的是必須加工的截面。
表面波紋度計算公式為：
3.結果及討論
3.1 工作包絡線
對Ti -6Al -4V沉積的初步研究表明，各參數的范圍可以用以下公式表示：
20 ≤ wire feed speed ≤ 100（4）
2 ≤ travel speed ≤ 10 (5)
120 ≤ current ≤ 300（6）
160 ≤−5×wire feed speed+3×current(7)
-520 ≤−8×wire feed speed+current（8）
-200 ≤ wire feed speed–current（9）
0 ≤−wire feed speed+20×travel speed（10）
0 ≤ wire feed speed−5×travel speed（11）
-58 ≤−wire feed speed+6×travel speed（12）
圖3對這些進行了具象表示，認為它們可能與發生在工作包絡線之外的缺陷有關。WFS和TS的低限值是由于需要較高的沉積速率，因此沒有考慮較低的值。WFS（送絲速度）上限是由于硬件限制造成的。電流上限與WFS上限有關，300A是熔解WFS上限(100mm /s) 所需的電流。一方面，當熱輸入不足時，會發生不完全熔化(方程式(6) - (8)；圖3中B3、B4圖像)；另一方面，當熱輸入過大時，珠形均勻性會受到嚴重影響（方程式(9)；圖3中B1、B2圖像)。
高TS（行進速度）產生了一種程度更大的峰值（方程式(5)和(11)：圖3中A1-A3圖像）；高表面張力使液滴一接觸冷基體就凝固；WFS（送絲速度）越高，峰越大。這就是上層試驗裝置（TS）受限的原因。
圖3，（a）WFS送絲速度-TS（行進速度）和(b) WFS（送絲速度）-I（電流）工作包絡線。這些數字表示每條線條所收到的約束。(c)約束下的工作包絡線三維圖；這些點對應計算模型回歸系數所需的28次試驗。
3.2加工能力
典型沉積如圖4所示，圖5將其與其它工藝進行了比較。對于GMAW和GTAW工藝，只考慮采用艙外制造所得的比較數據，這些數據來自于Sequeira和Williams(2010)、Eze(2009)、milelwski et al.(1999)和Tolochko et al.(2004)的研究。注意，在基于激光的加工過程中，假定壁寬等于光斑大小。粉層激光沉積工藝的主要優點是特征尺寸小。最后還有一個有趣的現象，那就是等離子沉積可以優化GMAW-CMT工藝能力，后者生產所得壁度更薄且層數更高。因此，兩種工藝相結合，可以滿足任何幾何需求。
使用等離子沉積可得最大沉積速率為1.8公斤/小時；然而，它受到規格為100 mm/s送絲機的限制。該過程表明在功率和WFS都增加的前提下，沉積率就有可能進一步增加。表面起伏范圍為0.35 -1.51mm，平均值為0.70mm。平均沉積效率為93%，最大值為98%，最小值為85%。這些值遠高于GMAW-CMT工藝產出，其平均值約為80%(Sequeria Almeida& Willliams,2010)。只考慮沉積時間的話，沉積14層所需時間范圍為3分16秒到16分20 秒，取決于行進速度。前四層寬度約為總壁寬的77%，后4層有效壁寬的88%。在實踐中，前四層需要不同的參數以產生更大的有效壁寬。對該內容，本研究不做探討。
圖4，Ti-6AL-4V 等離子沉積所得產品
圖5，等離子沉積與其它增層制造工藝在總壁寬、有效壁寬和層高方面對比圖。高頻鎢極氬弧焊、直流鎢極氬弧焊、選擇性激光熔化和直接激光制造均沒有有效的壁寬數據。
3.3. 宏觀結構所有標本的橫截面都顯示出一個共同的宏觀結構，經過沉積過程，先前的β柱狀晶粒從底板（圖7a）中生長出來。在增層制造背景下中，Baufeld et al.(2010)，描述了Ti-6Al-4V 如何在以立方β為中心的體中凝固，然后在1000℃以下冷卻時部分轉變為被六邊形閉合填充α相，周圍被β矩相包圍。所得晶粒比基板中的要大得多，這是外延晶粒生長（發生在沉積過程中）的結果，即有利晶粒生長，不利晶體不生長。優選方向即熱流方向。
此外，在微結構中還有一系列帶，它們在壁底部凸起，并垂直于壁頂部。這一特性將在下一章節進行討論。
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