發(fā)布時(shí)間：2023年1月16日
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鋁合金因其密度低、機(jī)械性能好、導(dǎo)熱系數(shù)高、來源廣、成本低等特點(diǎn)，成為汽車工業(yè)、軌道交通和航空航天工業(yè)中使用最廣泛的金屬材料之一。隨著增材制造（AM）技術(shù)的興起，激光和電弧都可實(shí)現(xiàn)鋁合金增材制造，但前者在處理高復(fù)雜度的小零件方面具有突出的優(yōu)勢，而后者在制造高效率的中大型零件方面具有巨大潛力。高導(dǎo)熱性、易氧化性、高反射率使得激光熱源難以實(shí)現(xiàn)鋁合金的高效沉積。由于現(xiàn)代工業(yè)對(duì)質(zhì)量、效率和成本的要求，鋁合金的弧基AM引起了越來越多的關(guān)注。
在鋁合金成形中應(yīng)用具有可變極性的電弧獨(dú)特的陰極清潔效果可以破壞和減少熔池表面的氧化膜，為層之間的高質(zhì)量冶金結(jié)合提供了可能性。然而，當(dāng)前研究普遍認(rèn)為電弧本身不夠穩(wěn)定：沉積層的磁場、氣流和表面形貌都對(duì)電弧形態(tài)有顯著影響。同時(shí)，絲弧之間的強(qiáng)耦合使得傳統(tǒng)的基于電弧的AM在材料添加和熱輸入的匹配方面非常嚴(yán)格。電弧的穩(wěn)定性和材料傳遞模式是電弧AM的核心任務(wù)，打破傳統(tǒng)電弧增材制造中絲弧之間的強(qiáng)耦合是解決上述問題的根本途徑。
西安交大魏正英教授金屬增材制造科研團(tuán)隊(duì)研究比較了電弧增材GMA-AM（氣體金屬電弧增材制造）、激光-GMA混合制造、旁路耦合WAAM、氣體鎢絲電弧（GTA）增材等技術(shù)，提出一種新型熔滴+電弧增材制造方法（DAAM），實(shí)現(xiàn)了鋁合金部件的高質(zhì)量和高效率制造。在DAAM系統(tǒng)中，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種特殊的熔滴發(fā)生系統(tǒng)（DGS）來取代傳統(tǒng)的送絲系統(tǒng)，使材料添加過程和弧熱輸入過程成為兩個(gè)獨(dú)立的部分。該研究采用變極性氣體鎢弧（VP-GTA）作為熱源，選用2219鋁合金作為沉積材料，首先分析了熔滴生成過程和熔滴+電弧沉積特性。然后提出一種熱輸入策略，實(shí)現(xiàn)具有良好形貌的薄壁構(gòu)件的制備。在此基礎(chǔ)上，研究了微觀結(jié)構(gòu)分布和晶粒形貌。最后，研究了不同工藝條件下的拉伸性能和斷裂特性。
該研究重點(diǎn)是熔滴生成過程、熔滴+電弧沉積過程以及成形薄壁件的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。團(tuán)隊(duì)通過研究得到如下主要結(jié)論：
（1）DGS中當(dāng)射流速度超過1.9 m/s時(shí)，射流狀態(tài)將變?yōu)榉�(wěn)定的瑞利射流模式。在設(shè)定的工藝條件下，熔滴的平均直徑可以減小到0.71 mm，傳輸頻率可以達(dá)到600–800 Hz，熔滴的飛行方向具有良好的穩(wěn)定性；瑞利噴射模式下的小熔滴尺寸有效地消除了熔滴對(duì)熔池的強(qiáng)烈沖擊。并且高熔滴頻率顯著提高了熔滴+電弧沉積工藝的連續(xù)性。同時(shí)，DAAM方法對(duì)熔滴下降偏差表現(xiàn)出較好的包容性。采用DAAM工藝成功制備了薄壁組分和形貌良好的環(huán)形結(jié)構(gòu)，沉積速率達(dá)到140 mm3/s。事實(shí)證明指數(shù)函數(shù)的熱輸入策略在鋁合金薄壁部的制造中足夠有效。
（2）熔滴+電弧增材制造2219鋁薄壁組件具有以柱狀晶體為主的微觀結(jié)構(gòu)，并且在前幾層中晶粒形貌和尺寸發(fā)生了顯著變化。柱狀晶體的生長方向與沉積方向形成25–45°的夾角，導(dǎo)致截面和縱截面的晶粒形貌存在明顯差異。同時(shí)，顯微組織沿沉積方向呈明顯的周期性分布。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，極限抗拉強(qiáng)度（UTS）在水平方向上更好，而在垂直方向上伸長率更好。T6熱處理后，水平方向的平均UTS和伸長率分別為435.0 MPa和10.4%，垂直方向的平均UTS和伸長率分別為406.5 MPa和16.4%。裂縫形態(tài)以延性斷裂為主，但在水平方向上表現(xiàn)出一定的晶間斷裂特征。微觀結(jié)構(gòu)纖維化導(dǎo)致機(jī)械性能的各向異性。
相關(guān)研究成果以《一種新型的鋁合金熔滴+電弧增材制造方法》（A novel droplet + arc additive manufacturing for aluminum alloy: Method, microstructure and mechanical properties）為題發(fā)表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。文章第一作者為西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩博連讀博士生賀鵬飛，作為新工藝平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研制及工藝負(fù)責(zé)人對(duì)新工藝研制成功做出了突出的貢獻(xiàn)。西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為該論文的作者單位，魏正英教授為通訊作者。文章其他作者包括博士生陳雪麗、來旭輝，碩士生王勇超、蔣敏博、馬琛。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
近年來，西安交通大學(xué)魏正英教授金屬增材制造團(tuán)隊(duì)先后研究了多物理場耦合的金屬增材過程的傳熱傳質(zhì)增材成形機(jī)理，對(duì)光/粉末耦合機(jī)制、熔滴與超常熔池冶金動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行研究，分析金屬增材制造中熔化特性及凝固宏觀形貌和微觀組織特征；分析了多重?zé)嵫h(huán)中應(yīng)力變形機(jī)制，對(duì)金屬增材形—性的一體化進(jìn)行調(diào)控機(jī)制研究；研究了金屬增材制造精度控制、性能預(yù)測和可視化測量反饋控制技術(shù)，利用自主研制的SLM平臺(tái)進(jìn)行了航天的金屬選區(qū)融化技術(shù)研究。
針對(duì)輕質(zhì)鋁合金激光增材高效成形的難點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)成功研制了顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料熔滴/電弧高效增材制造技術(shù)與設(shè)備，并建立了熔滴復(fù)合電弧3D打印成形系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)監(jiān)視反饋的主動(dòng)控制軟硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了耐磨陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料構(gòu)件的熔滴/電弧高效增材制造，團(tuán)隊(duì)李俊峰助理教授和博士生趙光喜、耿汝偉、王鑫、碩士生劉偉參與了復(fù)合材料增材新工藝論證和實(shí)驗(yàn)，并負(fù)責(zé)相關(guān)的國家自然科學(xué)基金的撰寫（2017獲資助），賀鵬飛博士負(fù)責(zé)撰寫的“陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料構(gòu)件的熔滴/電弧高效增材制造”2023年獲得國家自然科學(xué)基金資助。
課題組杜軍副研究員實(shí)現(xiàn)了鉛/鋼雙金屬熔滴/電弧高效增材制造，研究成果發(fā)表在Additive Manufacturing2022、機(jī)械工程學(xué)報(bào)2023、Case Studies in Thermal Engineering,2022、材料導(dǎo)報(bào)2022；其碩士研究生張永恒的文章發(fā)表在焊接2022。團(tuán)隊(duì)博士生郭鑫鑫和碩士馬琛的鋁合金熔滴復(fù)合電弧堆積層形貌缺陷快速識(shí)別發(fā)表在西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)（2022）。
來源：西安交大新聞網(wǎng) 2023.1.11