小序
钛合金具有比强度高、密度低、耐侵蚀、耐热性能好以及生物相容性优异等优点，，，，，被普遍应用于航空航天、新能源及生物医疗领域[1-2] 。。 。。 。可是，，，，，钛合金具有铸造温度区间窄、变形抗力大、高温组织性能对生产情形敏感等工艺特征，，，，，使用古板工艺生产加工钛合金构件时，，，，，生产工艺重大、生产效率低、质料使用率低、加工本钱高[3-4] 。。 。。 。近年来，，，，，增材制造手艺的生长为钛合金构件的生产制造提供了全新的思绪[5]，，，，，该手艺无需配套零件模具，，，，，通过逐层堆垛的方法制造实体零件[6]，，，，，可以有用镌汰工序，，，，，降低生产本钱，，，，，具有辽阔生长远景[7-9] 。。 。。 。相比于古板的加工方法，，，，，增材制造在成型原理、质料形态以及制件性能等方面爆发了根天性转变，，，，，被以为是制造业的一次革命性突破 。。 。。 。金属质料的增材制造凭证热源的选取差别可以分为电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacture, WAAM）、激光增材制造（Laser Additive Manufacturing, LAM）以及电子束增材制造（Electron Beam Additive Manufacture, EBAM）等手艺[10] 。。 。。 。其中电弧增材制造手艺以电弧作为热源，，，，，接纳逐层堆焊的方法制造实体零件，，，，，因其加工本钱低，，，，，沉积效率高等优点[11]被普遍地应用于钛、铝等金属质料的增材制造 。。 。。 。WAAM 要领及看法的提出可以追溯到 1925 年，，，，，Baker[12]使用简朴的电弧焊接沉积出了金属的花托和装饰性收纳篮 。。 。。 。在钛合金电弧增材制造中，，，，，由于逐层堆垛历程中会履历多次热循环，，，，，凝固历程金属过冷度高、温度转变大，，，，，高温 β 相会转变为差别形态的 α 相，，，，，包括马氏体 α'、马氏体 α''、针状 α、晶界 α 和网篮状组织等 。。 。。 。这些不匀称的微观组织及脆性相容易形成裂纹，，，，，影响整个构件的力学性能[13,14] 。。 。。 。为改善电弧增材制造钛合金的微观组织及提高其力学性能，，，，，海内外学者通过优化加工工艺与冶金等方法对钛合金增材组织举行调控 。。 。。 。Malinov 等[15]发明通过差别的热处置惩罚，，，，，钛合金中 α、α'、α''和 β 相的比例会有所差别；；；； ；；何智等[16]研究了超声攻击对电弧增材制造钛合金零件组织和性能的影响，，，，，发明超声攻击能够使晶粒破碎为细小的等轴晶，，，，，并且随着攻击次数的增多，，，，，试样的抗拉强度有所提高；；；； ；；Mereddy 等[17]通过在电弧增材制造钛合金时添加硅元素发明，，，，，随着硅添加量的增多，，，，，晶粒尺寸逐渐减小 。。 。。 。
目今，，，，，钛合金的电弧增材制造要领及微观组织调控已经逐渐成为研究热门，，，，，学者们围绕着新型要领、增材制造后处置惩罚以及增材历程实时调控等方面举行了大宗研究 。。 。。 。然而系统性的综述报道还很少，，，，，缺少对目今研究事情的总结与展望 。。 。。 。本文针对钛合金电弧增材制造工艺要领及微观组织调控，，，，，首先先容了差别的 WAAM 系统，，，，，并对差别钛合金电弧增材制造要领举行了先容与比照剖析，，，，，提出了钛合金电弧增材制造所面临的主要问题和难点，，，，，在此基础上重点综述了目今用于调控质料组织及性能的几种辅助工艺，，，，，最后对钛合金电弧增材制造的未来生长做了展望 。。 。。 。将为钛合金电弧增材制造手艺提供基础研究思绪，，，，，为高效高质量钛合金增材制造件的开发与应用提供手艺参考，，，，，对推动该手艺的进一步应用具有主要意义 。。 。。 。
1、 钛合金电弧-丝材增材制造工艺要领
WAAM 系统由热源、自动送丝系统、数控事情台或机械人系统组成 。。 。。 。目今 WAAW 主要基于古板焊接电弧举行优化刷新，，，，，凭证热源及送丝方法的差别，，，，，WAAM 主要分为三种工艺要领：以钨极气体保；；； ；；ず福℅as Tungsten Arc Welding, GTAW）为热源的旁轴送丝增材制造手艺、以等离子弧焊（Plasma Arc Welding, PAW）为热源的旁轴送丝增材制造手艺和以熔化极气体保；；； ；；ず福℅as Metal Arc Welding, GMAW）为热源的同轴送丝增材制造手艺，，，，，其特征如表 1 所示 。。 。。 。
1.1 基于 GTAW 的 WAAM 工艺
基于 GTAW 的电弧增材制造手艺使用钨电极和基板之间爆发的电弧来熔化焊丝，，，，，凭证设定的路径逐层沉积实体零件，，，，，如图 1 所示[19] 。。 。。 。在沉积历程中，，，，，送丝偏向影响质料传输和沉积质量 。。 。。 。浚浚 ？？？？山幽珊笏退俊⒉嗨退俊⑶八退康炔畋鸱椒ǎ，，，钛及钛合金的增材制造通常接纳前送料 。。 。。 。随着电弧长度的增添，，，，，屏障喷嘴与工件之间的距离也响应增添 。。 。。 。Baufeld 等[20-22]在 GTAW热源制备的电弧增材制造 TC4 钛合金中，，，，，发明其组织为粗大的外延生长 β 柱状晶，，，，，并且当焊接偏向爆发改变后 β 柱状晶的指向也随之爆发改变，，，，，如图 2 所示 。。 。。 。堆垛件的顶部和底部的组织也有所差别，，，，，顶部冷却速率较快，，，，，组织为较为细小的 α 集束，，，，，底部在多次的热循环作用下，，，，，组织为粗大的网状 α 结构 。。 。。 。Wang 等[23,24]也发明了相似的 β 柱状晶组织，，，，，并且还研究了送丝速率对焊后组织转变的影响 。。 。。 。当送丝速率增添到一定水平时，，，，，柱状 β 晶粒最终将转变为等轴晶 。。 。。 。Wang 和 Baufeld 等对电弧增材制造的钛合金的力学性能也有所研究，，，，，发明钛合金构件在沉积偏向及焊接偏向上的力学性能保存各向异性 。。 。。 。缘故原由是初生的β 相贯串整个试样外延生长，，，，，从而造成各偏向上组织与性能均保存差别 。。 。。 。钛合金增材制造件显微组织的不匀称性与其力学性能的各向异性有所关联，，，，，以是可以通过优化成型工艺参数来获得组织匀称的钛合金构件，，，，，弱化各向异性，，，，，提升综协力学性能 。。 。。 。
1.2 基于 PAW 的 WAAM 工艺
PAW 增材制造手艺使用等离子弧作为热源举行增材制造，，，，，等离子弧具有高电离度、高能量密度、高流速等特点，，，，，通过热压缩和机械压缩等作用，，，，，等离子焊接中的电弧能量密度可以抵达 GTAW 的 3 倍，，，，，且具有电弧稳固、沉积速率快、成型质量高等优点，，，，，如图 3 所示是一种基于 PAW 的 WAAM 系统[25] 。。 。。 。Martina 等[26]使用 PAW 增材制造要领制备了 TC4 钛合金构件，，，，，并研究了差别工艺参数对钛合金成型特征及组织特征的影响 。。 。。 。通过改善工艺获得了粗大 β 柱状晶粒，，，，，并建设工艺参数与堆垛件总壁宽、有用壁宽和层高之间的回归模子 。。 。。 。Lin 等[27]研究了等离子弧增材制造 TC4 钛合金的组织演化与力学特征 。。 。。 。研究发明，，，，，随沉积层数的增添，，，，，通过逐渐镌汰电流以降低热输入，，，，，能够减小 β 晶粒尺寸，，，，，然而 α 相在 β 晶粒内漫衍不匀称，，，，，保存针状马氏体和魏氏体的混淆组织，，，，，并且 α 片层的宽度与沉积高度有一定联系 。。 。。 。
1.3 基于 GMAW 的 WAAM 工艺
GMAW 电弧增材制造手艺是一种以熔化极气体保；；； ；；ず肝仍矗，，，将丝材匀称送入熔池熔化并快速凝固成型的增材制造要领 。。 。。 。20 世纪 90 年月，，，，，Spencer 等[28]提出了接纳 GMAW 手艺举行增材制造的要领来快速成型金属模具 。。 。。 。但使用此要领较大的热输入会导致质料保存较大的剩余应力，，，，，且焊接历程中飞溅、烟尘较大 。。 。。 。现在 GMAW 常接纳冷金属过渡（Cold Metal Transfer,CMT）要领，，，，，这是一种由 Fronius 公司开发的脉冲短路焊接手艺，，，，，CMT 通过耦合焊接参数和焊丝移动确保受控熔滴转移，，，，，接纳此种工艺，，，，，能在较低的热输入下实现熔滴接触过渡，，，，，镌汰飞溅 。。 。。 。Gou 等[29]通过研究 CMT 电弧增材制造制备 TC4 构件历程中热输入对增材构件组织与性能的影响情形，，，，，发明一部分 α′马氏体组织由于逐层沉积的热循环历程而转变为 α+β 层状的混淆物，，，，，且 α 晶粒中泛起了大宗的位错 。。 。。 。张飞奇等[30]以 TC4 钛合金丝材为质料，，，，，接纳 CMT 电弧增材制造，，，，，获得群集层底部为柱状晶、顶部为等轴晶的组织结构，，，，，在群集区与熔合区均没有马氏体相的泛起 。。 。。 。值得注重的是，，，，，在使用 GMAW 举行钛合金的增材制造时，，，，，会泛起电弧漂移，，，，，并且获得的外貌也很粗糙，，，，，以是关于钛合金的电弧增材制造，，，，，照旧以 GTAW 和 PAW 两种工艺要领为主 。。 。。 。
综上所述，，，，，关于钛合金电弧-丝材增材制造手艺，，，，，GTAW、PAW 和 GMAW 三种工艺要领各有特点：GTAW 工艺装备简朴，，，，，本钱较低；；；； ；；PAW 电弧能量密度高，，，，，可以获得变形较小且成型优异的构件；；；； ；；在 GMAW 中，，，，，焊枪和焊丝同轴，，，，，简化了路径天生历程，，，，，其沉积速率是 GTAW 和 PAW 要领的 2~3 倍，，，，，但稳固性较差 。。 。。 。CMT 电弧增材制造要领能够准确控制热输入且实现较高的群集效率，，，，，将成为未来制备钛合金重大大型构件一种有用的要领 。。 。。 。WAAM 工艺还要与质料特征相匹配，，，，，零件的精度要求及结构重大情形将决议 WAAM 工艺的选择 。。 。。 。关于钛合金来讲，，，，，GMAW 会导致电弧漂移，，，，，影响构件的成型质量，，，，，GTAW和 PAW 更适用于钛合金，，，，，但由于其接纳外部送丝的方法，，，，，增材构件的成型质量主要取决于堆垛历程中的送丝与电弧的稳固性[32]，，，，，通过对送丝的控制，，，，，实现一连的搭桥熔滴过渡方法[33]，，，，， 会获得成型优异的优质零件 。。 。。 。
2 、电弧增材制造钛合金微观组织调控
如前所述，，，，，WAAM 具有本钱低、生产效率高的优点 。。 。。 。然而，，，，，WAAM 制造历程中涉及到电弧热源下的液态金属的非平衡凝固[34]，，，，，前一道金属在逐层堆垛历程中，，，，，履历多次热循环，，，，，这种奇异的热特征将影响增材构件的微观组织、机械性能和剩余应力漫衍[35]，，，，，这些问题严重限制了钛合金增材制造构件的使用寿命和应用规模 。。 。。 。因此，，，，，需要对增材制造的钛合金举行组织调控以提升其性能，，，，，目今主要有两种调控方法：一种是在增材制造完成后对增材件举行后处置惩罚；；；； ；；另一种是在增材历程中的实时调控 。。 。。 。
2.1 钛合金增材件的后热处置惩罚
大大都 WAAM 制造的钛合金增材件在笔直（构建）偏向上的强度和伸长率均低于沉积偏向，，，，，这是由于柱状 β 晶粒通过为沉积偏向上的张力提供显著的损伤累积路径，，，，，来控制断裂行为[36] 。。 。。 。当沉积层中保存某些脆性相，，，，，如魏氏体相或针状 α 相时，，，，，延展性较弱 。。 。。 。较大的柱状 β 晶有助于优异的延展性，，，，，但可能导致强度降低[37] 。。 。。 。通过使用适当的热处置惩罚工艺，，，，，可以有用地控制和调解金属合金所需的微观结构和机械性能，，，，，降低焊后剩余应力，，，，，提高质料合金组织、性能的匀称性，，，，，提高构件的塑性与疲劳寿命[38] 。。 。。 。Wauthle 等[39]发明对 TC4 成型件举行去应力热处置惩罚可有用增进 α'马氏体转变为平衡相 α 片晶 。。 。。 。Gou 等研究发明 900℃和 1200℃热处置惩罚后，，，，，马氏体 α'相所有转变为 α+β 相，，，，，且显著提升组织的硬度和延伸率 。。 。。 。Brandl 等[40]接纳高温固溶+淬火+退火热处置惩罚钛合金堆垛件，，，，，发明 TC4 堆垛件组织中柱状 β 晶大宗转变为球状，，，，，显著镌汰了质料的各向异性 。。 。。 。多阶段后热处置惩罚工艺将生产出强度和延展性切合要求的产品，，，，，但其弱点是不经济且耗时，，，，，因此，，，，，通常接纳单阶段后热处置惩罚来提高塑性、增强强度、消除脆性相和细化晶粒（主要针对柱状晶） 。。 。。 。
2.2 层间冷却
图 5 为层间冷却的 WAAM 系统的示意图 。。 。。 。浚浚 ？？？？梢贫迮缱炀哂刑峁╇财⒌ CO2气体的功效，，，，，用于在每个沉积层上提供自动的强制冷却，，，，，该工艺可以控制钛合金层间热循环温度在一定规模内，，，，，以获得所需的微观结构和机械性能，，，，，有助于提高钛合金的硬度和机械强度[41] 。。 。。 。Ding 等[42]研究批注，，，，，当使用压缩气体举行层间强制冷却来制造 TC4 薄壁结构时，，，，，发明层间冷却镌汰了外貌氧化，，，，，细化了显微组织，，，，，提高了硬度和强度 。。 。。 。别的，，，，，由于沉积层之间的停留时间缩短，，，，，制造效率显著提高 。。 。。 。
2.3 喷丸和超声波攻击处置惩罚
喷丸和超声波攻击处置惩罚已普遍应用于工业产品中，，，，，这两种手艺都是使用高能介质攻击质料外貌，，，，，通过在质料外貌施加压缩应力，，，，，使零件中爆发弹性变形和塑性变形，，，，，从而细化表层晶粒，，，，，使取向随机化，，，，，进而提高零件的机械强度[43] 。。 。。 。经由超声波攻击处置惩罚后，，，，，WAAM 制备的 TC4 零件的外貌剩余应力可降低至 58%，，，，，显微硬度可提高 28% 。。 。。 。别的，，，，，外貌改性层经由塑性变形，，，，，晶粒显著细化，，，，，位错麋集 。。 。。 。Yang 等[44]将 GTAW 焊枪与超声波攻击处置惩罚头相连来制造 TC4 构件，，，，，沉积历程竣事后，，，，，连忙在沉积件外貌施加两次超声波攻击 。。 。。 。原有 β 晶粒的宏观结构由粗化的柱状晶转变为等轴晶和短柱状晶的交替漫衍 。。 。。 。Gou 等[45]接纳 GMAW 举行 TC4 钛合金增材制造时添加超声波喷丸处置惩罚，，，，，在每个电弧熄灭后从部件的三个偏向举行超声波喷丸，，，，，沉积的 TC4 部件中柱状 β 晶和次生 α 晶粒显著细化 。。 。。 。超声波攻击处置惩罚手艺受到穿透深度的限制，，，，，穿透深度约为外貌下 60μm 。。 。。 。因此，，，，，只管这两种手艺都是优异的后机械处置惩罚，，，，，但它们只能改善外貌层的质料性能，，，，，且作用规模有限 。。 。。 。
2.4 添加元素冶金原位调控
热处置惩罚及机械处置惩罚要领虽然在优化微观组织、提高力学性能以及缓解剩余应力等方面起着要害作用，，，，，但历程较为繁琐，，，，，提高了制造本钱与制造周期 。。 。。 。近年来，，，，，除了在工艺要领上调解外，，，，，添加元素冶金调控要领成为前沿的增材制造调控要领 。。 。。 。在增材制造历程中引入元素，，，，，其一可以通过改变熔覆质料或者使用送粉器送入一定量粉末来添加，，，，，其二可以通过改变保；；； ；；て蛩氐姆椒ㄒ朐 。。 。。 。Bermingham 等[46]在 TC4 钛合金焊丝外貌涂抹了两种差别配比的 B 元素熔覆层，，，，，发明 B 元素可以有用消除钛合金 α 晶界和团束组织，，，，，细小 α 等轴晶也会有所增添，，，，，降低各向异性，，，，，原始柱状 β 晶粒也变得越发狭 。。 。。 。，，，微量元素 B的添加使其压缩塑性提升约 40% 。。 。。 。别的，，，，，添加微量的 Nb、Si、La2O3等也可显著细化晶粒[47-49] 。。 。。 。第二种改变保；；； ；；て蛩氐囊欤，，，可以使用保；；； ；；て沼肴鄢乇⒁苯鹱饔茫，，，实现组织的原位强化 。。 。。 。；；； ；；瓶到〉冉幽 GTAW 或 PAW 作为热源，，，，，在氩气保；；； ；；て逯谢烊胍欢ū壤牡丛惶焐 TiN 增强相[50,51] 。。 。。 。研究效果发明，，，，，在氮气比例较低时组织中形成了 TiN 树枝晶，，，，，当一直增添氮气比例后树枝状的 TiN 逐渐转变为颗粒状 。。 。。 。氮原子作用的示意如图 6 所示，，，，，氮气分子在高温下电离成原子态，，，，，在熔池外貌吸附并扩散至内部，，，，，最后与 Ti 原子团结天生 TiN 相 。。 。。 。对堆垛的钛合金质料举行力学性能测试，，，，，发明氮气流量的增添能
够显著提升质料的抗压强度 。。 。。 。别的，，，，，还研究了在保；；； ；；て谢烊 CO2气体时的作用，，，，，发明在组织中天生了大宗的 TiOx 和 TiC相，，，，，且其含量随着 CO2通入量增添而增添 。。 。。 。由于 TiOx 相和 TiC 相的保存，，，，，质料的显微硬度和耐蚀性也有所增添[52] 。。 。。 。
3、 展望
近年来，，，，，市场对钛合金增材制造产品的需求及质量要求越来越高，，，，，迫切需要提高钛合金增材制造水准 。。 。。 。钛合金在逐层堆垛历程中，，，，，履历多次热循环，，，，，整个历程是一个非平衡热历程，，，，，并且在增材制造历程中，，，，，质料往往保存重大的物理化学冶金转变，，，，，以上历程影响因素众多，，，，，涉及质料、结构设计、工艺历程、后处置惩罚等诸多因素，，，，，但目今主要的研究事情仍主要集中在质料组织剖析、性能纪律形貌阶段，，，，，并未对冶金机理及理论举行深入研究，，，，，这也使得增材制造历程的质料—工艺—组织—性能关系往往难以准确掌握，，，，，难以实现有用控制 。。 。。 。因此，，，，，未来应进一步研究 WAAM 工艺中潜在的物理化学冶金机理，，，，，从而为工艺优化以及组织控制提供指导 。。 。。 。
另一方面，，，，，怎样对增材制造工艺中的剩余应力-变形漫衍、成型精度和微观组织演变举行物理建模剖析及展望仍然是一个挑战，，，，，通过数值模拟手艺可以大大缩短试验周期，，，，，有用验证试验中的相关基本理论，，，，，目今关于微观组织演化的数值剖析及相关的热力学-动力学盘算的研究较少，，，，，已有的数值模子研究主要集中于移动热源对熔池特征、温度漫衍及柱状晶组织的影响纪律，，，，，可是随着数值剖析手段的一直完善和富厚，，，，，数值模拟将在电弧增材制造领域施展更大的作用 。。 。。 。别的，，，，，人工智能也将在 WAAW 加工历程获得更多的应用 。。 。。 。例如：基于深度学习的模式识别手艺可以用来实现熔池分类、外貌缺陷检测等信号剖析；；；； ；；强化学习可用于实现 WAAM 的机械人路径自主妄想、参数优化和历程控制；；；； ；；大数据的看法将有助于实现数据共享和处置惩罚，，，，，从而刷新 WAAM 的 CAD 设计、工艺优化和质量控制 。。 。。 。
4、 结论
钛合金电弧增材制造手艺作为先进的钛合金加工制备手艺，，，，，具有较大生长潜力 。。 。。 。通过对海内外钛合金增材制造历程中的工艺要领及微观组织调控的总结与比照剖析可获得如下主要结论：
(1) 关于钛合金电弧-丝材增材制造手艺，，，，，凭证热源分类主要有 GTAW、PAW 和 GMAW 三种工艺要领 。。 。。 。关于钛合金来讲，，，，，GMAW 会导致电弧漂移，，，，，并且获得的外貌也很粗糙 。。 。。 。目今关于钛合金的电弧增材制造，，，，，照旧以 GTAW 和 PAW 两种工艺要领为主 。。 。。 。
(2) 钛合金的电弧增材制造，，，，，其组织具有一定的不匀称性以及力学性能的各向异性 。。 。。 。浚浚 ？？？？梢云局ば枰，，，选择在增材制造历程中或增材制造后借助辅助工艺来优化钛合金组织及性能 。。 。。 。在增材制造后处置惩罚中，，，，，通过热处置惩罚来消除脆性相、细化晶粒、降低各向异性；；；； ；；另外可以在增材制造历程中举行组织优化，，，，，如使用层间冷却、喷丸和超声波攻击、添加合金元素等方法来改善钛合金组织，，，，，其中，，，，，添加合金元素通过冶金调控的方法可以原位天生增强相，，，，，因其可以实时调控质料的因素及组织，，，，，将成为未来钛合金增材制造的研究热门 。。 。。 。
(3) 关于电弧增材制造钛合金微观组织的调控，，，，，已有一定研究效果，，，，，但大多还处于试验研究阶段，，，，，关于深条理的成型机理的研究尚有所欠缺 。。 。。 。以是在未来，，，，，应进一步研究 WAAM 工艺中保存的物理化学冶金机理，，，，，并团结数值模拟手艺对微观组织的演化举行展望，，，，，以及借助人工智能手艺实现电弧增材历程的智能化，，，，，这将有助于推动 WAAM 在研究和工业领域的生长 。。 。。 。
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黄康健，，，，，男，，，，，1981 年生，，，，，教授，，，，，2005 年本科结业于湘潭大学获学士学位，，，，，2007 年结业于兰州理工大学获硕士学位，，，，，2010 年结业于兰州理工大学获博士学位 。。 。。 。主要从事电弧增材制造、异种金属毗连、焊接物理与焊接历程检测与控制等方面的研究，，，，，揭晓论文 200 多篇 。。 。。 。
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