西安交通大学：一种新型熔滴+电弧增材制造方法实现铝合金高质量和高效率制造

来源：高功率及超快激光先进制造实验室

定向能量沉积技术（DED）具有沉积效率高、成本低和原料范围广等特点，在中大型构件增材制造领域具有巨大的应用潜力。然而研究表明，现有DED中材料添加量和热输入之间存在严格匹配关系，导致高沉积速率下构件质量难以得到保障。因此，如何同时实现高质量、高效率制造是DED面临的重要难题之一。

近日，西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室魏正英教授团队在比较了电弧增材制造、激光增材制造和激光-电弧复合增材制造等技术后，提出一种新型熔滴+电弧增材制造方法（DAAM），打破传统DED增材制造中丝材和热源间的强耦合，一定程度上实现了铝合金构件的高质量和高效率制造。相关研究成果发表在增材制造领域顶刊《Additive Manufacturing》上。

研究内容
1、实验装置：在DAAM系统中，团队设计了一种特殊的熔滴生成装置（DGS）来取代传统的送丝系统或送粉系统，使材料添加和能量输入过程成为两个独立的部分。两部分分别以感应加热装置和变极性钨极气体保护电弧（VP-GTA）作为热源。试验过程中，DGS产生的熔滴垂直滴入VP-GTA在基底产生的熔池中，通过控制基底运动实现三维构件制造。试验材料方面，选用2219铝合金作为沉积材料，SUS 304不锈钢作为基板。为了避免熔滴和熔池氧化，整个加工过程在惰性保护气氛中进行。

图1 DAAM的工艺原理及实验装置。

2、高速摄像机观察：结果显示小尺寸、高频率熔滴的动能较小、对熔池的冲击作用较弱，沉积过程更为稳定，有利于获得表面光滑且不存在明显缺陷的沉积层。此外，在制造过程中，熔池的散热速度往往会随着沉积高度的增加呈现出先降低而后保持不变的趋势，导致沉积层出现尺寸不均一现象。针对该问题，文章提出一种全新的热输入策略，通过不断修正电弧热输入，成功制备出具有良好表面形貌和尺寸精度的薄壁构件。

图2  Rayleigh模式下的沉积工艺。

3、微观结构分布和晶粒形貌：由横截面结果可以看出，此时主要为等轴状晶粒。底部区域晶粒尺寸细小，中间区域和顶部区域的晶粒尺寸较为粗大。在纵截面中，底部区域同样为较小尺寸的等轴晶粒，沉积层中绝大部分为柱状晶粒，表现出较强的取向性。中间层和顶层的层间存在少量细小等轴晶。由EBSD结果可以看出，随着沉积高度的增加，晶粒尺寸逐渐增大。

图3 DAAM薄壁构件的晶粒演化过程。

4、不同热处理工艺条件下构件的拉伸性能和断裂特性：考虑到增材制造样品存在方向异性，每组样品分别在水平和垂直两个方向进行取样和测试。结果显示，T6热处理对抗拉强度和屈服强度的强化作用更最为显著。T4热处理样品在伸长率方面要优于T6热处理。相应的断口分析结果，层间区域和内层区域表现出不同的断裂特征，层间区域为韧性断裂，内层区域为韧脆混合断裂。对比不同取样方向上的拉伸断口形貌，发现垂直方向表现出与水平方向不同的断裂特征，断口中出现较多凹坑和孔隙。总的来说，对于DAAM增材制造薄壁构件，显微组织和微观缺陷的共同影响断裂方式。

图4 不同热处理工艺下DAAM薄壁构件拉伸性能。

图5 拉伸断口形貌（a）水平方向层间区域，（b）水平方向内层区域，（c）垂直方向（T6热处理）。

5、与其他研究者的工作的对比：对比参数包括各项拉伸性能指标和沉积速率。总的来说，在拉伸性能方面，采用文中方法制造的样品优于锻态、GTA-AM以及激光GTA-AM样品，与目前业内最佳的CMT冷金属过渡工艺性能基本处于同一水平。沉积速率方面，得益于DAAM特殊的材料添加和能量输入方式，其沉积效率为现存所有方法中最高。

图6 不同方法增材制造2219铝合金的拉伸性能和沉积速率。

研究结论
文章提出一种新型熔滴+电弧增材制造方法（DAAM），创新性地将材料添加过程和能量输入过程分为两个独立的部分，打破传统增材制造中丝材和热源间的强耦合，一定程度上实现了铝合金部件的高质量和高效率制造。此外，研究工作进一步证实了增材制造热输入策略和层间厚度对最终构件表面形貌和晶粒尺寸具有重要影响。上述研究成果对于开发基于电弧或激光的高质量、高效率增材制造新工艺和新技术具有一定的借鉴意义。