電弧增材制造中的熱源及其對宏觀微觀結構特征和力學性能的影響

巴基斯坦NED工程技術大學、達伍德工程技術大學及巴林大學的科研人員綜述了電弧增材制造中的熱源及其對宏觀微觀結構特征和力學性能的影響。相關論文以“Heat sources in wire arc additive manufacturing and their impact on macro-microstructural characteristics and mechanical properties–An overview”為題發(fā)表在《Smart Materials and Structures》上。

重點：
1.本綜述研究了電弧增材制造（WAAM）中的電弧熱輸入，如GTAW、GMAW、CMT和PAW，這是一種具有成本效益的高沉積率工藝。
2.報告了WAAM的宏觀結構、微觀結構和力學性能，重點關注能量和熱輸入源的穩(wěn)定性。
3.本綜述還重點介紹了用于WAAM的主要熱源的工藝特性。
4.特點包括混合熱源以及將熱源與減材和變形等制造工藝相結合。

電弧增材制造技術（WAAM）的逐層成型理念視為是傳統(tǒng)減材制造方法的可行替代方案，因為它能夠制備出結構復雜程度適中的大型金屬部件。與傳統(tǒng)的增材制造（AM）工藝相比，該技術具有成本低、沉積率高等優(yōu)勢，因此備受關注。本綜述研究了基于電弧增材制造系統(tǒng)的鎢極氬弧焊 (GTAW)、熔化極氣體保護電弧焊(GMAW)、冷金屬過渡焊接(CMT)、等離子弧焊 (PAW) 材料沉積過程中的各種電弧熱輸入和熱源。要做到這一點，必須采用全面的方法來理解主要工藝因素及其對最終部件質量的影響。在本綜述中，研究了與各種熱源和電弧熱輸入有關的宏觀微觀結構和力學行為。本綜述還研究了電弧增材制造工藝中與熱量有關的輸入要素，來確定熱輸入方面的最佳電弧增材制造技術。本綜述的主要目的是研究熱輸入與使用電弧增材技術沉積的零件的力學、微觀結構和宏觀結構特征之間的相關性。本研究深入探討的熱輸入對電弧增材制造工藝的穩(wěn)定性至關重要，并在制造過程中影響零件的力學特性和微觀結構演變。綜述涉及多種材料，包括鋁合金、銅合金、鋼合金、鎳合金、鐵合金、鈦合金、鎂合金和智能材料，重點關注其微觀結構、宏觀結構和力學性能，為其在多個行業(yè)的應用提供了重要見解。

圖1.根據技術要求選擇相關增材制造方法的示意圖。

圖2.用不同焊接方法展示電弧增材制造原理：(a)GTAW、(b)PAW和(c)GMAW。

圖3.電弧增材制造物理過程的順序描述，包括從電弧到焊絲的熱傳遞、焊絲熔化、熔滴形成、射滴過渡、與基材碰撞，然后凝固。

圖4.(A)MIG焊、(B)TIG焊和(C)PAW焊操作原理。

圖5.多層結構被分成不同的區(qū)域，可進行綜合表征。

圖6.多層結構的宏觀結構分析，（a）頂部、（b）中部和（c）底部。

圖7.電弧增材技術制造薄壁拉伸試樣的實驗裝置。

圖8.電弧增材制造試樣吸收能量的比較分析。

圖9.(a)復合焊接和成形工藝原理圖，左側為焊接工藝，中間框內突出顯示熔敷材料的（熱）軋制，右側是力學性能被優(yōu)化的焊縫。(b)誘導熱和塑性應變產生的微觀結構效應。

圖10.將WAAM與表面軋制相結合的混合金屬增材制造工藝示意圖。重點是改變冶金結構，突出晶粒尺寸減小及其對殘余應力的影響。

圖11.金屬增材制造與硬幣鑄造的集成：（a）新型混合制造工藝示意圖，包括激光粉末床熔融(LPBF)沉積、線材電火花加工、拋光和硬幣鑄造；（b）用AISI 316 L鑄成的硬幣原型圖。

圖12.通過電弧增材技術沉積的材料及其工業(yè)應用實例。

圖13.部分工業(yè)應用領域。

這篇綜述為有興趣了解最新研究成果的全球學術界人士提供了一份成果總結。文章以最近發(fā)表的大量電弧增材制造研究成果為基礎。為了更好地理解電弧增材制造技術，提高其接受度和實用性，需要對一系列專用設計的大型金屬結構進行更多的實驗研究。盡管電弧增材技術的基準信號還不如其他制造工藝多，但與傳統(tǒng)生產方式相比，數字化制造的優(yōu)勢顯而易見。只要能緩解高熱量輸入帶來的挑戰(zhàn)并解除限制，大規(guī)模、高質量的電弧增材制造是可行的。

電弧增材制造技術在未來將占據領先地位，這對增材制造行業(yè)來說是非常有利的。近年研究表明，通過優(yōu)化電弧增材制造過程中的熱輸入條件，可以增強電弧增材制造零件的宏觀結構、微觀結構和力學性能。建議在減少熱輸入的同時改善制造部件的宏觀結構，保持結構準確性并提高沉積率。寬度與高度之比降低的原因是，當熱量輸入減少時，熔池無法在硬化前膨脹。熱輸入量在很大程度上影響著電弧增材制造樣品的晶粒大小、形狀和孔隙率。一些研究表明，控制影響晶粒的工藝變量（如送絲速度、傳輸速度和熱輸入）可能會有利。為了增強電弧增材樣品的力學性能，提高電弧增材零件的尺寸精度和表面質量，應進一步研究最佳熱輸入以及材料成分與工藝變量之間的聯(lián)系。先進的計算機系統(tǒng)控制著電弧增材自動化生產流程。它與復雜和不對稱的零件圖案相輔相成。金屬可通過當前普遍使用的焊接工藝沉積。焊接方法和熱量輸入都能控制金屬沉積的速度。使用電弧增材技術可以有效降低材料利用率和零件總成本。相對應力、孔隙和分層是電弧增材制造部件的主要問題。

特殊工程材料的開發(fā)、粒度和分布的重要性、熱問題的研究、專門用于內部特殊應用的更新材料的合成、材料數據庫的創(chuàng)建以及改善力學和微觀結構性能的方法，是增材制造材料領域的一些重要研究領域。對這些問題進行深入研究是必要的，尤其是在為生物醫(yī)學、建筑、航空和汽車等重要行業(yè)生產零件時。


論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.smmf.2024.100059