西安交大增材制造顶刊《AM》：一种新型的液滴+电弧增材制造铝合金！
导读：本文提出了一种新型的液滴+电弧增材制造技术(DAAM)，用于制造高质量、高效率的铝合金构件。设计了一种特殊的液滴产生系统(DGS)来取代传统的送丝系统，使材料添加过程和电弧热输入过程成为两个独立的部分。在DAAM过程中，变极性电弧热源倾斜布置在DGS下方，DGS产生的液滴垂直有序滴入熔池，通过移动基底逐层沉积铝合金组件。小而有序的液滴生成方式有利于提高沉积过程的连续性，显著降低液滴对熔池的有害影响。同时，DAAM过程对液滴下落偏差具有较大的包容性。以140 mm3/s的沉积速率成功制备了多层薄壁组件和环形结构。薄壁组份的微观结构以柱状晶为主，沿沉积方向呈明显的周期性分布。柱状晶倾斜生长导致横截面和纵截面上的晶粒形态不同。T6热处理后，水平方向的平均极限抗拉强度(UTS)和垂直方向的平均极限抗拉强度(UTS)和延伸率分别为435.0 MPa和10.4%，垂直方向的平均极限抗拉强度(UTS)和延伸率分别为406.5 MPa和16.4%。断口形貌以韧性断裂为主，但在水平方向上表现出一定的沿晶断裂特征。该方法为铝合金增材制造提供了新的选择，对同时提高制造质量和效率具有很大的潜力。
铝合金因其密度低、机械性能好、导热系数高、来源广、成本低等特点，成为汽车工业、轨道交通和航空航天工业中使用最广泛的金属材料之一。随着增材制造（AM）技术的兴起，铝合金AM引起了上述领域学者和工程师的高度关注。激光和电弧是铝合金增材制造中常用的两种热源。前者在处理高复杂度的小零件方面具有突出的优势，而后者在制造高效率的中大型零件方面具有巨大潜力。高导热性、易氧化性、高反射率使得激光热源难以实现铝合金的高效沉积。由于现代工业对质量，效率和成本的要求，铝合金的弧基AM引起了越来越多的关注。
更重要的是，具有可变极性的电弧独特的阴极清洁效果可以破坏和减少熔池表面的氧化膜，为层之间的高质量冶金结合提供了可能性。Aldalur等人研究了工作模式对CMT-AM（冷金属转移增材制造）制造的铝合金孔缺陷的影响，发现具有可变极性电流的脉冲交流模式可以显着减少薄壁零件中的孔缺陷。Ayarkwa等人研究了GTA-AM（气体钨弧增材制造）工艺的电极正极（EP）时间比对铝合金部件制造过程中阴极清洁效果的影响。研究发现，EP时间比的增加会增加清洗宽度，但会加速钨电极的磨损，因此最佳EP时间比约为20-30%。
研究工艺参数对铝合金缺陷和组织的影响非常重要，但探索线与电弧的关系也值得关注。物理性能决定了铝合金是一种对工艺条件敏感的材料，因此如何获得稳定的制造工艺具有重要意义。优异的熔化效率和特殊的阴极清洗效果使电弧热源成为铝合金高效优质增材制造的有效选择。然而，人们普遍认为电弧本身不够稳定：沉积层的磁场、气流和表面形貌都对电弧形态有显著影响。同时，线弧之间的强耦合使得传统的基于电弧的AM在材料添加和热输入的匹配方面非常严格。GMA-AM（气体金属电弧增材制造）方法依赖于细液滴转移模式或投影转移模式。GTA-AM方法依赖于可靠的液桥传输模式。微小的几何缺陷、线和电弧相对位置的微小变化、送丝速度（WFS）的突然变化以及不准确的热输入可能会显着影响材料传输方式，从而可能直接导致零件报废。GMA-AM过程中脉冲电弧对液滴转移行为的影响，发现脉冲电弧可以提高液滴转移频率，但会增加液滴冲击强度，进而增加零件的几何误差。
激光-GMA混合焊接的液滴转移过程，发现激光热源的加入会影响液滴转移频率。并认为液滴传递频率的变化是由电磁力和金属蒸气反作用力之间的竞争决定的。旁路耦合WAAM中的液滴转移行为，发现旁路电流会影响电弧形态和材料转移周期。实验结果表明，通过增加WFS可以实现从液滴转移模式到液桥转移模式的材料转移过程，并且只有在液桥转移模式下才能实现连续的材料形成。上述研究证明了特定材料转移模式对传统WAAM方法的重要性。然而，材料传递模式的优先满足可能不利于工艺优化，因为电弧的热输入在沉积过程中还必须与冷却条件和几何要求相匹配。
为了进一步提高制造稳定性和效率，可能需要降低线和电弧之间的耦合强度。气体钨丝电弧（GTA）通常被认为更稳定，有利于电弧模式和能量输入的自由调整。然而，对于基于GTA源的稳定WAAM，必须保持液桥传递模式，这导致线尖与熔池之间的距离必须保持在非常窄的几何范围内。这使得传统的GTA-AM修复沉积层的几何误差的能力降低。同时，为了保证焊丝的稳定熔化，WFS通常不会太快，研究表明最大WFS不应超过2 m/min。这使得GTA-AM的制造效率远低于GMA-AM。一些学者也提出了改善电弧AM材料添加与热输入关系的新思路：一种CC-WAAM（强制收缩WAAM）工艺，其中具有窄通道的喷嘴位于电弧的前部，以实现电弧和金属液滴的强制收缩。在CC-WAAM工艺中研究了液滴转移行为，他们认为新的电弧和液滴转移方法有助于提高AM的精度。然而，实验结果表明，电弧电流对液滴尺寸有显着影响，液滴可能与喷嘴内壁碰撞。现有结果无法证实新工艺的可靠性。可以认为，电弧的稳定性和材料传递模式是电弧AM的核心任务。打破传统电弧增材制造中导弧之间的强耦合是解决上述问题的根本途径。
为此，西安交通大学魏正英教授团队提出了一种新型液滴+电弧增材制造（DAAM），以实现铝合金部件的高质量和高效率制造。在DAAM系统中，设计了一种特殊的液滴发生系统（DGS）来取代传统的送丝系统，使材料添加过程和弧热输入过程成为两个独立的部分。本文采用变极性气体钨弧（VP-GTA）作为热源，选用2219铝合金作为沉积材料。首先，讨论了液滴生成过程和液滴+电弧沉积特性;然后，提出一种热输入策略，实现具有良好形貌的薄壁构件的制备。在此基础上，研究了微观结构分布和晶粒形貌。最后，研究了不同工艺条件下的拉伸性能和断裂特性。相关研究成果以题“A novel droplet + arc additive manufacturing for aluminum alloy: Method, microstructure and mechanical properties”发表在增材制造顶刊Additive Manufacturing上。
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042200745X
DAAM的工艺原理和实验装置.（a）DAAM示意图，（b）DAAM系统，（c）手套箱内的关键设备，（d）DGS的系统组成，（e）下降喷射模式，（f）瑞利喷射模式。
图 2
液滴喷射模式下的液滴生成过程。
图 3
瑞利喷射模式下的液滴生成过程。
图 4
瑞利喷射模式下的液滴特性。
图 5
液滴+电弧沉积工艺在滴射模式下。（a）液滴+电弧沉积过程的CCD图像，（b）单轨沉积样品，（c）多层沉积样品，（d）多层沉积样品的横截面，（e）层间粘合缺陷。
图 6
瑞利喷射模式下的液滴+电弧沉积过程。（a）瑞利喷射模式的CCD图像，（b）液滴+电弧沉积过程的CCD图像，（c）单轨沉积层，（d）横截面。
图 7
不同液滴下落偏差下单轨沉积层的截面。
图 8
电弧增材制造2219铝合金薄壁组件。（a） 薄壁构件，（b） 薄壁构件的横截面。
图 9
电弧增材制造 2219铝合金薄壁元件的层间结合缺陷。
图 10
电弧增材制造薄壁组分的宏观金相图。（a）∼（c） 横截面的顶部区域、中间区域和底部区域，（d）∼（f） 纵向截面的顶部区域、中间区域和底部区域。
图11
电弧增材制造薄壁组件的晶粒演变。（a） 稀释区，（b） 第二层，（c） 中间层和（d） 横截面的顶层，（e） 稀释区，（f） 第二层，（j） 中间层和（h） 纵向截面的顶层。
图 12
DAAM薄壁样品典型晶粒形成的示意图。
图 13
电弧增材制造薄壁组件中间层的SEM图像。（a） 横截面中的内层区域，（b） 纵向截面的内层区域，（c） 横截面中的层间区域，（d） 纵向截面的层间区域。
图 14
电弧增材制造 2219铝合金二次相的形貌和元素分布。（a） 沉积样品，（b） 沉积样品的 EDS 图，（c） T6 热处理样品，（d） T6 热处理样品的 EDS 图。
图15
不同时效时间的显微硬度。
图 16
电弧增材制造2219铝合金薄壁构件在不同工艺条件下的拉伸性能.（a） 应力-应变曲线，（b） YS、UTS 和伸长率的平均值。
图 17
DAAM薄壁零件的典型缺陷。（a） 微孔，（b） 凝固空隙，（c） 微裂纹。
图 18
电弧增材制造2219铝合金薄壁样品的孔隙分布。（a）按当量直径排列的孔隙分布，（b）按长宽比排列的孔隙分布，（c）按等量直径排列的孔隙统计结果，（d）近球形孔的分布（长径比≥0.5），（e）非球形孔的分布（长宽比<0.5），（f）按长径比排列的孔隙统计结果。
不同热处理条件下的断裂形貌。（a1）水平方向T6热处理样品的层间区域，（a2）水平方向的T6热处理样品的内层区域，（b）垂直方向的T6热处理样品，（c）水平方向的沉积样品，（d）垂直方向的沉积样品。
本文提出了一种新型液滴+电弧增材制造（DAAM），用于高效、高质量的铝合金零件制造。设计了一种特殊的液滴发生系统（DGS）来取代传统的送丝系统，使材料添加过程和弧热输入过程两个独立的部分。采用DAAM方法成功制备了2219铝合金成形良好的薄壁构件。研究重点是液滴生成过程、液滴+电弧沉积过程以及电弧增材制造薄壁组分的微观结构和力学性能。主要结论如下：
DGS中有两种截然不同的稳定喷射状态。在滴射模式下，液滴直径较大，传输频率较低。但是，当射流速度超过1.9 m/s时，DGS的射流状态将变为稳定的瑞利射流模式。在本文给出的工艺条件下，液滴的平均直径可以减小到0.71 mm，传输频率可以达到600–800 Hz，液滴的飞行方向具有良好的稳定性。
在液滴喷射模式下，液滴对熔池的集中和强烈冲击导致熔池过度扩散，导致层之间出现不可接受的粘合缺陷。而瑞利喷射模式下的小液滴尺寸有效地消除了液滴对熔池的强烈冲击。并且高液滴频率显著提高了液滴+电弧沉积工艺的连续性。同时，DAAM方法对液滴下降偏差表现出较好的包容性。只要液滴能够进入熔池的有效范围，液滴与熔池之间的相对位置对沉积层的形貌没有显著影响。
采用DAAM工艺成功制备了薄壁组分和形貌良好的环形结构，沉积速率达到140 mm3/s.事实证明，指数函数的热输入策略在铝合金薄壁部件的制造中足够有效。
电弧增材制造 2219铝薄壁组件具有以柱状晶体为主的微观结构，并且在前几层中晶粒形貌和尺寸发生了显着变化。柱状晶体的生长方向与沉积方向形成25–45°的夹角，导致截面和纵截面的晶粒形貌存在明显差异。同时，显微组织沿沉积方向呈明显的周期性分布。拉伸试验结果表明，极限抗拉强度（UTS）在水平方向上更好，而在垂直方向上伸长率更好。T6热处理后，水平方向的平均UTS和伸长率分别为435.0 MPa和10.4%，垂直方向的平均UTS和伸长率分别为406.5 MPa和16.4%。裂缝形态以延性断裂为主，但在水平方向上表现出一定的晶间断裂特征。微观结构纤维化导致机械性能的各向异性。
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