铝合金电弧增材制造研究现状.pdf
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1、2023年 第9期 热加工20增材制造专题Additive Manufacturing Topic铝合金电弧增材制造研究现状林清成,郭纯,李文清,李云,黄光灿,陈艳艳,张新宇安徽科技学院机械工程学院 安徽滁州 233100摘要:近年来,传统铝合金制造技术难以满足大型高精度复杂形状结构件要求。有着高沉积率、低成本等优点的电弧增材技术作为一种铝合金制造新方法,受到人们的广泛关注。基于国内外研究学者对于铝合金电弧增材技术的研究,采用文献归纳的方式,从铝合金电弧增材工艺优化和智能控制两个角度进行综述,其中工艺优化又包括加工参数优化、热处理工艺、施加辅助工艺和材料性能优化。此外,通过航空航天、船舶等多个
2、领域的应用实例,展示了铝合金电弧增材技术多样的应用场景,为今后铝合金电弧增材的研究提供理论参考。关键词:铝合金;电弧增材;工艺优化;智能控制1 序言增材制造技术(AM)起源于20世纪80年代后期,是一种“自下而上”材料累加的制造方法1,仅凭三维数字模型和3D打印设备就可以制造出复杂结构件2。与传统的等材、减材制造技术相比,增材制造技术具有工艺流程简单、材料利用率高、无需模具,以及成形效率高等优点,可实现任意复杂构件的制造。目前,金属增材制造技术根据热源可划分为电弧增材、电子束増材、激光增材3。近年来,随着科技的飞速发展和现代工业对高性能材料需求的日益增加,铝合金作为产量仅次于钢铁的一种优秀的结
3、构材料,以其高强度、轻质化和良好的耐蚀性而受到广泛应用。在复杂的轻量化制造中,铝合金电弧增材制造优势非常突出4,吸引了国内外学者的广泛关注。电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)也被称为三维打印技术5,是一种新兴的增材制造技术,有着高沉积速率、高材料利用率和低设备成本等优点6。电弧增材技术利用熔化极气保焊(MIG)、非熔化极气保焊(TIG)以及等离子弧焊(PA)等焊接工艺产生的电弧作为热源7,以线材形式的合金材料作为原始材料8,以大型数控机床或机械臂作为移动机构,按照预定规划好的路径从底部材料逐层累积增加的一项技术9。与激光增材制造、电子束增材
4、制造相比,电弧增材制造的设备简单、成本低、效率高,且成形构件具有良好的力学性能10。电弧增材原理如图1所示。图1电弧增材原理5基金项目:安徽省自然科学基金项目(1908085QE174、2108085ME167);安徽省高校协同创新项目(GXXT-2019-022);安徽省高 校优秀拔尖人才培育项目(gxbjZD2022046);安徽省高校自然科学研究项目(YJS20210558、KJ2020A0073);装备预研 项目(61409230612);安徽科技学院学术和技术带头人后备人选项目(202101);安徽科技学院人才项目(RCYJ201905)。第一作者:林清成,硕士生,主要研究方向为激光
5、熔覆,E-mail:。通信作者:郭纯,博士,教授,主要研究方向为机械制造表面处理技术、增材制造、焊接,E-mail:。2023年 第9期 热加工21增材制造专题Additive Manufacturing Topic本文基于目前铝合金电弧增材国内外的研究进展,采用文献归纳的方式,从电弧增材制造原理、铝合金电弧增材工艺优化,包括加工参数优化,以及热处理工艺、施加辅助工艺和材料性能优化等,铝合金电弧增材智能控制这三个角度,总结铝合金增材制造领域的发展现状,展示铝合金电弧增材制造的工业应用,同时对铝合金电弧增材制造技术的发展做出展望,为今后研究提供理论参考。2 铝合金电弧增材工艺优化与智能控制2.1
6、 铝合金电弧增材工艺优化(1)加工工艺参数优化 1)扫描速度是影响铝合金电弧增材过程的主要参数。扫描速度直接影响熔池液态停留时间及凝固速率。李权等11通过改变扫描速度来探究对电弧增材制造2219铝合金微气孔的影响规律,试验后发现,随着扫描速度从5mm/s增加至9mm/s,气孔数量增多,尺寸增大。不同扫描速度下成形的单壁墙横截面金相如图2所示。且与焊接速度的比值为0.51时,可以获得较好的多层堆积形貌。另外,还有学者对其他的加工参数进行研究。如杨启杰等14采用电弧增材制造技术研究不同层间等待时间对4043铝合金的性能影响。研究发现,随着层间等待时间的延长,晶粒逐渐细化,当层间等待时间为2030s
7、时,外观成形质量良好,拉伸性能最优。李承德等15选取直径分别为1.6mm和1.2mm的ZL114A铝合金丝材为原材料,探究不同丝材直径对铝合金电弧增材的影响,发现相比于直径为1.2mm的丝材,直径为1.6mm的丝材成形效率增加了50.4%。因此,铝合金电弧增材加工参数优化是实现高性能构件的关键。研究人员通过对加工参数的研究和优化,为铝合金电弧增材制造提供了更多的发展空间。(2)热处理工艺 热处理是优化铝合金电弧增材材料性能的重要手段。热处理过程中的固溶和时效处理可以显著影响材料的力学性能和晶体结构。热处理能够使构件中的组织均匀化、细化晶粒,同时降低焊接接头中存在的残余应力,达到提升综合性能的效
8、果16。李玉娟等17 采用电弧增材技术制备2319铝合金试样,经热处理后发现,存在着Cu原子的析出强化影响,与沉积态试样相比,抗拉强度和硬度分别提升35%和40%。GUO等18为了最大限度地发挥电弧增材制造工艺的优势,采用电弧增材制备AZ80M铝镁合金,并进行了3种不同的热处理程序(T4、T5和T6),研究后发现,与T4热处理样品相比,经过T5和T6热处理的样品硬度分布更均匀。张艳等19通过探究热处理工艺对电弧增材制造ZL114A铝合金耐蚀能力的影响,研究发现,当热处a)Ts5mm/s b)Ts7mm/s c)Ts9mm/s图2不同扫描速度下成形的单壁墙横截面金相11图3不同送丝速度下的成形情
9、况122)送丝速度是铝合金电弧增材制造过程中的重要参数之一,送丝速度的改变直接影响焊丝的供给量,对熔池的形状和大小有影响。林三宝等12以双丝电弧增材技术制备 Al-Mg-Zn-Cu-Sc 铝合金。试验分析后发现,每根丝的送丝速度在6001000mm/min时均可以良好成形(见图3)。何鹏等13 开展对MIG电弧增材制造6061铝合金的工艺、微观组织和力学性能的研究。研究发现,当送丝速度为57m/min、2023年 第9期 热加工22增材制造专题Additive Manufacturing Topic理工艺为540 xh175 6h时,随着固溶时间的延长(214h),合金共晶硅球化程度越来越充分
10、,降低了合金的应力集中,改善了合金的耐蚀性能。综上所述,热处理是铝合金电弧增材制造中的一项重要工艺,可以通过控制固溶和时效处理,优化材料的力学性能和晶体结构。(3)增加辅助工艺 彭力真等20 在5356铝合金电弧增材制造时,采用随电弧同步移动的搅拌针在熔池内施加不同频率(30kHz、40kHz、50kHz)超声波搅拌(见图4)。经研究发现,与未施加超声波搅拌的增材层组织相比,抗拉强度与显微硬度均有所提升,随着超声波频率的增加,增材层的孔隙率逐渐减少,当超声波搅拌频率达到50kHz时,增材层力学性能最好。李丹等21为细化铝合金电弧增材组织晶粒、提高力学性能,研究了在5356铝合金电弧增材时,添加
11、横向交变磁场中励磁电流对组织及性能的影响。经研究发现,与无磁场下的增材层相比,当励磁电流达到11A时,平均显微硬度提升10%,综合力学性能在励磁电流为8A时均高于未引入磁场。NIU等22采用同步锤锻的辅助工艺进行电弧增材制造镁铝合金,研究后发现,当锤锻力达到80N时,可以实现33.97%的大塑性变形,试样的表面平整度也得到了明显改善。此外,采用同步锤锻辅助工艺有明显的抑孔效果。调整不同合金元素的含量,比如Si、Mg、Li等,来改变合金的组成。例如,添加Si元素可以显著提高铝合金的强度和耐蚀性,而添加Li元素则可以减轻材料的密度,提高其比强度。郝婷婷等23将不同Y含量的2319铝合金作为原材料,
12、采用冷金属过渡的电弧增材制造工艺,制备2319铝合金。通过研究发现,虽然Y元素的加入,对电弧增材制造的2319铝合金的气孔缺陷大小及分布无明显影响,但当wY0.15%时,晶粒细化效果最显著,性能最优(见图5)。有研究发现,在铝镁合金中加入Sc元素可以改变其力学性能,XIA等24采用电弧增材制造技术制备Al-Mg-Sc合金,经研究发现,Sc元素的加入减小了晶粒大小,改善了Al-Mg-Sc合金的力学性能。与不含Sc元素的铝镁合金相比,屈服强度、极限抗拉强度和伸长率分别提高了88%、55%和46%。KLEIN等25基于Al-Zn-Mg-Cu体系开发了一种新型合金体系,并成功通过电弧增材制造技术加工出
13、无裂纹、低孔隙率的试样,最后,通过制造摩托车活塞(见图6)证明了该合金的适用性和可加工性。WANG等26采用电弧增材技术,在ER5356线材中加入钛粉,制备了铝镁合金薄壁构件,研究发现,铁图4超声搅拌电弧增材示意20图6新型合金制成的摩托车活塞25图5不同Y含量WAAM 2319铝合金的力学性能23因此,在铝合金电弧增材制造中引入合适的辅助工艺可以显著改善零件的力学性能、表面质量和抑孔性能。继续深入研究和应用不同的辅助工艺,可以进一步提高电弧增材制造技术的效率和可靠性,推动其在工业生产中的广泛应用。(4)铝合金材料性能优化 当铝合金电弧增材制造技术与不同元素添加相结合,对于铝合金材料的性能和微
14、观结构产生了显著影响。研究人员通过2023年 第9期 热加工23增材制造专题Additive Manufacturing Topic粉能够细化晶粒,显微硬度提升,且与不含铁粉试样相比,显微硬度更加均匀。铝合金电弧增材制造技术结合不同元素添加可以实现对材料性能和微观结构的优化。Y、Ti、Zr等元素的加入能够细化晶粒,提高材料的力学性能,并改善材料的整体性能表现。2.2 铝合金电弧增材智能控制技术(1)传感器技术 铝合金电弧增材智能控制技术的关键在于实时监测和反馈。传感器技术在此起到了至关重要的作用。传感方法主要包括视觉传感、光谱传感、声学传感和热传感27。WAAM中的内置视觉传感器有助于检测表面
15、缺陷和几何偏差。声学和热传感器有益于检测结构沉积时的缺陷28。这些数据为后续的控制算法提供了准确的输入和参考。杜军等29为了研究成形速度、电流及送丝速度对沉积层特征尺寸的影响,基于机器视觉传感技术进行2319铝合金电弧增材制造。经研究发现,沉积层特征尺寸对电弧电流的响应速度最快,送丝速度最慢。XU等30设计了一种焊接机器人被动视觉传感器(见图7),以普通铝合金材料脉冲GTAW为研究对象,通过试验表明,图像处理的精度范围可控制在0.169mm左右,完全满足焊接机器人实时焊缝跟踪的要求。GOMEZ 等31通过WAAM工艺构建外壳形状的铝部件,采用基于霍尔效应的电流传感器来测量CMT过程中的电流和电
16、压,通过优化工艺参数来提高几何精度。因此,传感器技术在铝合金电弧增材智能控制技术中发挥着不可替代的作用,为铝合金电弧增材制造过程提供了实时监测和反馈,有助于优化工艺参数,提高构件质量。法和模糊控制等可以根据传感器数据实时调整工艺参数和电弧功率,从而实现对打印过程的精确控制和优化。BERGANT等32采用IBESS方法对球形孔隙和裂纹状缺陷进行建模。通过模型预测出了电弧增材制造的Ti-6Al-4V铝合金的疲劳数据。ZHAO等33建立了一种基于GMAW的WAAM三维多物理场集成模型,实现了电弧等离子体、Al蒸气、液滴和熔池的全耦合。经研究发现,Al蒸气主要由液滴表面产生,导致电弧等离子体温度和电弧
17、压力降低。在液滴转移循环中,等离子体的平均温度先降低后升高,受电流密度分布的影响。熔池形成的热量大部分来自液滴的能量传递,液滴对熔池流动的冲击效应明显大于马兰戈尼效应。并且,模型与试验结果相比,液滴转移周期误差为4.6%,层宽误差为6.9%,穿透深度误差为2.6%。张志强等34综合运用流体力学和电磁学理论成功建立了高强铝合金CMTP电弧增材熔滴过渡数值模拟模型(见图8),模拟结果与试验结果高度吻合,且CMT短路阶段可有效避免熔滴飞溅,提高成形质量。综上所述,铝合金电弧增材研究的进展涵盖了工艺参数优化和智能控制技术等多个方面。其中工艺参数优化包括加工参数、热处理工艺、施加辅助工艺和材料性能等,智
18、能控制技术包括传感器技术和仿真模型等,这些研究进展为铝合金电弧增材技术在工业制造、航空航天、汽车及船舶等领域展现出更加广阔的应用前景。3 铝合金电弧增材的工业应用3.1 航空航天工业航空航天工业是铝合金电弧增材技术的重要应用领域之一。我国自主制造的C919客机结构材料中铝合金占比达75%35。长征系列火箭结构材料铝合金占比达到70%36。通过铝合金电弧增材技术,可以制造形状复杂的航空部件,如引擎外壳、机翼和航空器的结构件等(见图9),同时减少材料浪费,降低整体重量。如壳段是典型的薄壁复杂铝合金结构,是各类导弹的关键部件37。针对航天大型铝合金构件TIG生产的实际情况与需求,陈志翔等38采用激光
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