鋁合金因其密度低、機械性能好、導(dǎo)熱系數(shù)高、來源廣、成本低等特點，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現(xiàn)鋁合金的高效沉積。由于現(xiàn)代工業(yè)對質(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，當前研究普遍認為電弧本身不夠穩(wěn)定：沉積層的磁場、氣流和表面形貌都對電弧形態(tài)有顯著影響。同時，絲弧之間的強耦合使得傳統(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隊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，團隊設(shè)計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獨立的部分。該研究采用變極性氣體鎢?。╲p-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。

熔滴+電弧增材制造實驗平臺

該研究重點是熔滴生成過程、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。團隊通過研究得到如下主要結(jié)論：

（1）dgs中當射流速度超過1.9 m/s時，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熔池的強烈沖擊。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，daam方法對熔滴下降偏差表現(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)，沉積速率達到140 mm3/s。事實證明指數(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。

電弧增材制造2219鋁合金薄壁件

（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，顯微組織沿沉積方向呈明顯的周期性分布。拉伸試驗結(jié)果表明，極限抗拉強度（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)致機械性能的各向異性。

熔滴+電弧增材制造薄壁件中晶粒演變

daam薄壁樣品典型晶粒形成示意圖

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)機械工程學(xué)院碩博連讀博士生賀鵬飛，作為新工藝平臺的設(shè)計與研制及工藝負責人對新工藝研制成功做出了突出的貢獻。西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程重點實驗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、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。

近年來，西安交通大學(xué)魏正英教授金屬增材制造團隊先后研究了多物理場耦合的金屬增材過程的傳熱傳質(zhì)增材成形機理，對光/粉末耦合機制、熔滴與超常熔池冶金動力學(xué)行為進行研究，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；分析了多重熱循環(huán)中應(yīng)力變形機制，對金屬增材形—性的一體化進行調(diào)控機制研究；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平臺進行了航天的金屬選區(qū)融化技術(shù)研究。

針對輕質(zhì)鋁合金激光增材高效成形的難點，團隊成功研制了顆粒增強鋁基復(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)和動態(tài)監(jiān)視反饋的主動控制軟硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了耐磨陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料構(gòu)件的熔滴/電弧高效增材制造，團隊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驗，并負責相關(guān)的國家自然科學(xué)基金的撰寫（2017獲資助），賀鵬飛博士負責撰寫的“陶瓷顆粒增強鋁基復(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、機械工程學(xué)報2023、case studies in thermal engineering,2022、材料導(dǎo)報2022；其碩士研究生張永恒的文章發(fā)表在焊接2022。團隊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別發(fā)表在西安交通大學(xué)學(xué)報（2022）。

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