WAAM 技術(shù)應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

王永芳，孫秀懷，于慶州，張建鵬，殷子強(qiáng)

（1.濟(jì)南德正環(huán)保科技有限公司，山東濟(jì)南 271100；2.濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250022）

0 引言

在機(jī)械裝備的服役過程中，部分構(gòu)件由于承受較大的載荷或使用過程中長期與配合件進(jìn)行摩擦而導(dǎo)致磨損的發(fā)生，從而造成零件失效，堆焊增材（再）制造技術(shù)是最早用于解決上述問題的技術(shù)手段之一。堆焊增材（再）制造是使液體金屬熔覆在金屬的表面，與零件基體之間形成原子結(jié)合，防止或減緩其在使用過程中腐蝕與磨損的一種技術(shù)方法。

增材（再）制造技術(shù)最早起源于上世紀(jì)20 年代的美國，Baker 申請(qǐng)了使用可熔化電極采用金屬疊加堆積金屬飾品的專利。而增材（再）制造技術(shù)在我國起源于20 世紀(jì)50 年代末，發(fā)展初期主要用于修復(fù)領(lǐng)域,即恢復(fù)零件的形狀尺寸；60 年代徐濱士已經(jīng)開展了恢復(fù)形狀尺寸與強(qiáng)化表面及表面改性相結(jié)合的研究工作之一；改革開放后增材（再）制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大,從修理業(yè)擴(kuò)展到制造業(yè)；90 年代受先進(jìn)制造技術(shù)理念的影響,與智能控制技術(shù)和精密磨削技術(shù)相結(jié)合的近凈形技術(shù)(Near Net Shape)引起了制造業(yè)的廣泛關(guān)注，成為增材（再）制造技術(shù)從技藝走向科學(xué)的重要標(biāo)志[1，2]。

作為一種延長零部件使用壽命的可靠手段，堆焊增材（再）制造技術(shù)至今廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、石油化工、采礦以及農(nóng)業(yè)設(shè)備等[3，4]。傳統(tǒng)的增材制造主要包括焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)電弧焊等,這些方法比較成熟，應(yīng)用較為廣泛。隨著增材技術(shù)的不斷創(chuàng)新,高效電弧焊（多絲焊、寬帶極焊）、電渣焊、等離子弧焊、電子束焊等新方法不斷得到發(fā)展[5-8]。近十幾年來,以激光增材制造為代表的高能束堆焊技術(shù)得到了迅速發(fā)展,由于高能束方法可以實(shí)現(xiàn)熱輸入的準(zhǔn)確控制,且能量密度高,熱變形小,熔覆金屬成分和堆焊層稀釋率可控制性好,因而得到性能優(yōu)越的堆焊層[9-11]。但激光設(shè)備和電子束設(shè)備價(jià)格昂貴，在工作過程中效率也較低,限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用[12]。

與基于粉末材料的激光增材制造技術(shù)相比，電弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacture，WAAM）工藝因其設(shè)備成本低，工藝窗口寬，成型效率高等優(yōu)點(diǎn)受到人們的關(guān)注[13，14]。WAAM 技術(shù)通過鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）、熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）的和等離子弧焊（PAW）產(chǎn)生的電弧作為熱源，在熔覆過程中填充焊絲逐層熔覆，最終接近成型[15]。通過WAAM所獲堆焊層的質(zhì)量取決于熔覆材料、增材制造時(shí)的工藝參數(shù)以及周圍環(huán)境的影響，堆焊層的耐磨性又取決于熔覆層中硬質(zhì)相的類型、形狀和分布以及與基體的融合情況，為了有效發(fā)揮堆焊層的作用，通常希望所獲得的堆焊層有較小的稀釋率、合理的組織類型、形狀以及分布[16]。

當(dāng)前WAAM 技術(shù)主要應(yīng)用于各種金屬材料，包括鋁、鎳、鈦合金、碳鋼以及合金鋼和其他金屬[17]，本文主要綜述WAAM 中幾種典型的材料，討論其所獲堆焊層的微觀結(jié)構(gòu)以及對(duì)于顯微硬度與耐磨性能的影響，最后對(duì)增材制造技術(shù)的發(fā)展做出了展望。

1 WAAM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

WAAM技術(shù)以電弧作為熱源，以線材為原料快速制造零件、修復(fù)零件，WAAM成形原理如圖1所示。利用增材制造技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行表面改性，全面提升使用零件的力學(xué)性能以及增加零件的使用壽命。除此之外，采用WAAM與其他AM堆焊技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)[18，19]：

圖1 WAAM原理

（1）設(shè)備成本相對(duì)較低，與激光、電子束等增材制造方法相比，WAAM 堆焊設(shè)備不受設(shè)備成型腔和真空室的限制，擁有較低的設(shè)備成本。

（2）以線材作為原料利用率高，一般以焊絲作為堆焊層的原料，焊絲制造技術(shù)成熟，價(jià)格便宜，且成形后不需要進(jìn)行復(fù)雜的加工，具有較高的材料利用率。

（3）更高的生產(chǎn)效率，擁有良好的制造靈活性，工藝設(shè)計(jì)較為簡單，參數(shù)易于控制，通過調(diào)節(jié)堆焊過程中的工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱輸入的調(diào)節(jié)，增加熱輸入加快焊絲的融化速度以及焊接速度，可用于原位修復(fù)較大尺寸的零部件。

（4）堆焊層致密度高。WAAM 材料適用范圍廣，可對(duì)銅、鋁等激光反射率高的材質(zhì)進(jìn)行加工，獲得的熔覆層成分均勻，堆焊層與母材或堆焊層之間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，力學(xué)性能好。

2 WAAM 技術(shù)應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

2.1 鋁及其合金

鋁合金是一種導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、可塑性優(yōu)良的金屬材料，鋁合金在WAAM中的應(yīng)用是當(dāng)前一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域[20-22]。由于鋁合金其高反射與高導(dǎo)熱系數(shù)等自身屬性的限制，在WAAM過程中，如果層與層之間的熱量輸入和焊道停留的時(shí)間選擇不當(dāng)，往往會(huì)導(dǎo)致孔隙率增加以及晶間裂紋出現(xiàn)[23]。為避免鋁合金加工中產(chǎn)生的問題，目前較為適用的方法是選擇合理的堆焊工藝及調(diào)整適當(dāng)?shù)亩押竻?shù)減少堆焊中出現(xiàn)的問題[24，25]。

在堆焊過程中，可以通過增加WAAM過程中的熱輸入來提高熔覆效率，但這必然會(huì)導(dǎo)致熔覆層間的溫度升高。焊層間經(jīng)歷多次熱循環(huán)和表面氧化物重熔，使鋁合金很難實(shí)現(xiàn)精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)以及較低孔隙率和較好的力學(xué)性能。Leandro Jo?o da Silva 等[26]提出了基于WAAM技術(shù)的熱管理技術(shù)——近浸沒式主動(dòng)冷卻（NIAC）實(shí)驗(yàn)裝置概念，如圖2 所示，即預(yù)制件相對(duì)連續(xù)且受控地浸入工作槽內(nèi)的冷卻液體中，并于傳統(tǒng)的自然冷卻與被動(dòng)冷卻進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)這種熱管理技術(shù)能夠減少熱量積累，同時(shí)高散熱率能夠使制造的零件保持在一個(gè)合理的低溫范圍內(nèi)。但這種熱管理技術(shù)對(duì)降低孔隙率沒有明顯的幫助，針對(duì)熱輸入與孔隙率之間的關(guān)系，Cong Baoqiang 等[27]通過應(yīng)用變極性冷金屬轉(zhuǎn)移（VP-CMT）技術(shù)，在降低Al-Cu合金堆焊層溫度的同時(shí)還顯著降低了堆焊層的孔隙率。在此基礎(chǔ)之上，Zhang,Chen 等[28]采用變極性冷金屬轉(zhuǎn)移（VP-CMT）技術(shù)降低了Al-Mg 合金堆焊層氣孔率，在堆焊的過程中，粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為細(xì)小的等軸晶。雖然降低熱輸入可以起到改善堆焊層中孔隙率的作用，但一些微孔的存在還是會(huì)使鋁合金展現(xiàn)出各向異性的特征，這種特性的存在將會(huì)在很大程度上限制其使用范圍。

圖2 NIAC 概念的實(shí)驗(yàn)裝置表示法[26]

另一方面，在鋁鎂合金堆焊過程中，降低堆焊層間的溫度能夠有效提升其力學(xué)性能[29]。對(duì)于熱輸入對(duì)力學(xué)性能方面的關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者也做出了大量研究。Oleg Panchenko 等[30]通過調(diào)整工藝參數(shù)（送絲速度和焊接速度）提高了Al-Mg-Mn 堆焊層的拉伸性和延展性。雖然調(diào)節(jié)工藝參數(shù)能夠改善鋁合金材料的力學(xué)性能，但對(duì)于重要零部件的服役中，單單通過改變工藝參數(shù)這一方式還無法滿足其使用要求。Chen Zhang 等[31]在堆焊Al-Mg合金的過程中除了選擇合適的工藝參數(shù)，還增加了輔助堆焊制造的機(jī)械振動(dòng)裝置，如圖3 所示。發(fā)現(xiàn)通過這種方式獲得的堆焊層在降低孔隙率、細(xì)化組織、降低其各項(xiàng)異性特性，提高其各方面的力學(xué)性能均有所幫助。Sun Rujian 等[32]將WAAM 技術(shù)與激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)相結(jié)合方式制造了2219 鋁合金零件，激光沖擊強(qiáng)化示意圖、沖擊路徑以及激光沖擊強(qiáng)化后的樣品圖如圖4～6 所示，通過激光沖擊強(qiáng)化輔助WAAM 技術(shù)，所獲零件晶粒更加細(xì)小，激光沖擊強(qiáng)化的過程中使零件產(chǎn)生高密度位錯(cuò)和孿晶，提高了零件的屈服強(qiáng)度。

圖3 振動(dòng)裝置以及測(cè)試試樣示意圖[31]

圖4 激光沖擊強(qiáng)化示意圖

圖5 重合率50%的激光路徑

圖6 激光沖擊強(qiáng)化WAAM2319 鋁合金試樣[32]

綜上所述，雖然鋁合金堆焊過程中存在諸多問題，但是隨著鋁合金在工業(yè)生產(chǎn)中越來越越重要的地位以及堆焊技術(shù)的不斷成熟完善，鋁合金在增材制造過程中面臨的問題都將能夠很好的解決。

2.2 鎳基合金

鎳基合金是一種高溫合金，屬于Ni-Cr 固溶強(qiáng)化合金，其強(qiáng)度主要來自難熔金屬鈮和鉬在鎳鉻基體中的固溶硬化效應(yīng)[33]。該合金具有優(yōu)異的耐熱腐蝕、耐疲勞、耐磨性和良好的焊接性，在高溫下具有很好的強(qiáng)度[34]，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、船舶工程等領(lǐng)域[35，36]。然而卻由于高昂的成本限制了這種材料的使用[37]，堆焊表面改性成為了解決這一問題經(jīng)濟(jì)、有效地方式，即選擇低碳鋼或者低合金鋼作為基體熔覆一層鎳基合金材料既滿足使用要求又顯著降低成本[38]。迄今為止，各種鎳基合金，包括Inconel 625 以及Inconel 718都可以通過堆焊的方式達(dá)到表面改性的目的。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于Inconel 625 合金的研究已經(jīng)取得一定成果，Thivillon,L.等[39]研究了激光熔覆與GTAW 兩種工藝制備Inconel 625 堆焊合金時(shí)微觀組織和力學(xué)性能方面存在的差異，由于激光束的高能密度，激光熔覆制備的堆焊層在微觀組織以及力學(xué)性能方面要優(yōu)于GTAW 所制備的堆焊層。針對(duì)如何改善WAAM 堆焊層的微觀組織，提升其力學(xué)性能這一問題，Xu,F.J.等[40]采用脈沖等離子弧作為堆焊熱源并采取了焊層間冷卻的堆焊方式制備Inconel625 堆焊層，并與不采取冷卻的連續(xù)堆焊方法相比較，通過兩種方式堆焊的試樣如圖7 所示。前者無論是在成形質(zhì)量還是在力學(xué)性能方面都要優(yōu)于不采取層間冷卻的連續(xù)堆焊方法。而Wang,J.F.等[41]基于焊層間冷卻的堆焊方式，利用GTAW 技術(shù)制備Inconel625 合金堆焊層，發(fā)現(xiàn)靠近基體部分的微觀結(jié)構(gòu)較為細(xì)小，其硬度、耐磨性要優(yōu)于頂層位置。同一堆焊零部件中不同區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)及其性能的區(qū)別受堆焊過程中的熱量的影響，各個(gè)堆焊層之間經(jīng)歷了不同次數(shù)的熱循環(huán)，造就了這種差異。而采用焊層間冷卻的堆焊方式目的就是減少熱循環(huán)對(duì)堆焊層帶來的影響。為了能更好的改善熱量輸入對(duì)堆焊層帶來的影響，Wang Yangfan 等[42]利用CMT 技術(shù)制備Inconel625 堆焊層，CMT 技術(shù)由于其特殊的熔滴過渡方式，能夠?qū)Χ押笇赢a(chǎn)生較少的熱量輸入，在堆焊過程中將焊接速度作為變量，在三種不同速度下形成的堆焊試樣如圖8 所示。同時(shí)將CMT 技術(shù)制備的堆焊層與鑄造的Inconel625 合金進(jìn)行了比較，論證了CMT 技術(shù)在Inconel625 合金制造中的適用性。而王勻等[43]研究了基體表面粗糙度對(duì)于堆焊層耐腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)較小的基體表面粗糙度，有利于提升堆焊層的耐腐蝕性。

圖7 脈沖等離子弧焊制備的樣品

圖8 CMT-WAAM制備的塊狀樣品

據(jù)報(bào)道，通過WAAM技術(shù)制造的鎳基合金堆焊層，其顯微組織一般存在較大的柱狀晶粒[44]，較多數(shù)量的Laves 相析出物和MC 碳化物[44，45]。因此，還需要采用合理的后處理工藝使組織細(xì)化，減少熔覆層中鈮的偏析，獲得枝晶間不連續(xù)的Laves相，使硬質(zhì)相更好的嵌入到軟基體當(dāng)中，更大程度的提升堆焊層在服役過程中的耐磨性。

鎳基合金由于其自身屬性的優(yōu)勢(shì)，必然會(huì)在工業(yè)發(fā)展中擔(dān)負(fù)更加重要的角色。較高的價(jià)格也會(huì)使得鎳基合金更多的應(yīng)用于表面改性，選擇合理的堆焊工藝以及參數(shù)，通過一系列的措施來改善鎳基合金堆焊層的力學(xué)性能將會(huì)受到更多研究者的關(guān)注。

2.3 鈦及其合金

相比當(dāng)今在航空化工領(lǐng)域應(yīng)用的鎳基高溫合金，鈦合金具有更低的密度，且鈦合金具有良好的力學(xué)性能、良好的生物相容性和優(yōu)異的耐腐蝕性，在武器、航空、化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[46，47]。然而鈦較高的成本又限制了其應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)的減材制造，AM就顯示出了它的優(yōu)勢(shì)[17]。鈦合金由于其優(yōu)異的耐腐蝕性被認(rèn)為是極為重要的耐腐蝕結(jié)構(gòu)材料，因而作為防腐涂層具有廣闊的應(yīng)用前景[48]。

針對(duì)鈦合金堆焊技術(shù)，激光熔覆技術(shù)由于其較低的能量輸入，能夠獲得組織細(xì)小的涂層，成為制備鈦合金硬質(zhì)涂層的最常用的技術(shù)[49-53]。H.Attar 等[54]利用激光熔覆和WAAM 制造鈦合金堆焊層，由于WAAM 較高的熱輸入，最終制備的堆焊層在拉伸以及耐磨性能方面要低于激光熔覆堆焊層。然而，激光熔覆設(shè)備昂貴且需要特定的條件，相比之下，WAAM 技術(shù)成本低，對(duì)條件的要求較少。針對(duì)如何改善WAAM技術(shù)下鈦合金堆焊層的力學(xué)性能，國內(nèi)外學(xué)者從各個(gè)角度出發(fā)。Zixiang Li 等[55]等采用熱絲WAAM 技術(shù)減少堆焊過程中的熱輸入，熱絲電弧增材制造示意圖以及電阻加熱原理如圖9 所示。發(fā)現(xiàn)熱輸入對(duì)于堆焊層的宏觀形貌、微觀組織以及拉伸性能都有較為明顯的影響。Jun Wang 等[56]則通過調(diào)整堆焊電流確定了合適的堆焊電流，圖10 展示了不同工藝參數(shù)下熔覆層沿深度方向的顯微硬度轉(zhuǎn)變。在60A 電流下獲得的Ti6Al4V 堆焊層達(dá)到最高的硬度及耐磨性能最佳。

圖9 熱絲電弧增材制造

圖10 不同工藝參數(shù)下熔覆層沿深度方向的顯微硬度轉(zhuǎn)變[56]

采用鈦合金作為表面改性材料，除通過調(diào)整焊接參數(shù)獲得力學(xué)性能良好的堆焊層外，還可以調(diào)整鈦合金堆焊層成分的方法來提高堆焊層性能。由于氬弧焊在堆焊過程中采用氬氣作為保護(hù)氣體，對(duì)堆焊層和過熱區(qū)進(jìn)行保護(hù)防止其氧化，所以氬弧焊制備鈦合金堆焊層得到較廣的應(yīng)用。Mridha 等[57]和Monfared 等[58]分別通過TIG 技術(shù)制備鈦合金堆焊層，所獲堆焊層均有較高的硬度以及良好耐磨性能。An Q 等[59]制備了高質(zhì)量的TiBw/Ti6Al4V 復(fù)合堆焊層，發(fā)現(xiàn)堆焊層硬度隨著電流的增大而有降低趨勢(shì)，其微觀組織增大。

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與WAAM 技術(shù)的不斷成熟，鈦合金材料的研發(fā)和應(yīng)用也進(jìn)入了新階段，選擇合理的堆焊技術(shù)以及合理控制堆焊過程中的熱輸入，堆焊技術(shù)必然會(huì)更多的應(yīng)用到鈦合金領(lǐng)域。

2.4 高鉻鑄鐵

高鉻鑄鐵是高鉻白口抗磨鑄鐵的簡稱，通常含有8%～35%Cr 和2%～5%C，是一種性能優(yōu)良而受到重視的耐磨材料[56，60]，它以比合金鋼高的多的耐磨性，比一般白口鑄鐵高得多的韌性、強(qiáng)度，同時(shí)還兼有良好的抗高溫和抗腐蝕性能，加工生產(chǎn)便捷、成本適中[61，62]，而被譽(yù)為當(dāng)代最優(yōu)良的耐磨料磨損材料之一。FeCrC 的耐磨粒磨損性能源于Cr 碳化物鑲嵌在韌性較好的Fe 基體中，這些碳化物會(huì)阻礙磨料的滲透。因此，增加硬質(zhì)相的數(shù)量對(duì)磨料耐磨性有積極的影響[61，63]。與鎳基和鈷基堆焊合金相比，F(xiàn)eCrC 合金由于成本的優(yōu)勢(shì)，所以在生產(chǎn)中使用的頻率更高。

根據(jù)合金中C 和Cr 的含量不同，高鉻鑄鐵又可分為亞共晶、共晶、過共晶成分，三種類型不同的高鉻鑄鐵在凝固過程中展現(xiàn)了不同的微觀結(jié)構(gòu)，也展現(xiàn)了不同的耐磨性。過共晶FeCrC 堆焊層的微觀組織由嵌入在共晶基體中尺寸較大的先共晶M7C3碳化物和鐵素體基體組成，較為粗大的先共晶M7C3碳化物是脆性的，在磨損過程中容易開裂。針對(duì)如何改善堆焊層組織粗大，影響堆焊層耐磨性問題，Afzalleh Jilleh 等[64]將鈮、鉬（鎢、釩作為微量元素）添加到的過共晶耐磨堆焊層，表1 展示了基體以及焊絲A、B、C、D 的化學(xué)成分含量。發(fā)現(xiàn)合金元素的加入可使堆焊層中先共晶M7C3碳化物相晶粒細(xì)化，如圖11 所示。硬質(zhì)相細(xì)化的同時(shí)提高了堆焊層的耐磨性。冒志偉等[65]在Fe-Cr13-C 耐磨堆焊焊條藥皮中加入Nb 和N，從而增加了堆焊層中硬質(zhì)相析出相數(shù)量，并使堆焊層中的馬氏體發(fā)生細(xì)化，顯著提高了其硬度與耐磨性。以上學(xué)者從堆焊層材料角度出發(fā)，考慮添加合金元素增加異質(zhì)成核點(diǎn)帶來的組織細(xì)化，也有學(xué)者從焊接工藝方面考慮，提高堆焊層的耐磨性能。Karsten Günther 等[66]通過對(duì)焊絲進(jìn)行電阻加熱，使焊絲在進(jìn)行熔覆之前具有一定的初始溫度，從而降低了電弧的輸入能量，對(duì)堆焊過程中的稀釋率起到了一定控制作用，同時(shí)也提高了熔覆速度以及耐磨性。

圖11 SEM背散射電子顯微照片

表1 基體以及合金A、B、C、D 的化學(xué)成分[64]

在高鉻鑄鐵的應(yīng)用過程中，組織中的M7C3碳化物是影響堆焊層硬度和耐磨性的主要因素之一，合金元素的加入改善了材料內(nèi)部組織，提高了耐磨性能，在今后的研究中，如何合理的把控合金元素的投入的成分以及調(diào)節(jié)工藝參數(shù)使其稀釋率保持在一個(gè)最佳的范圍也是其研究的一個(gè)重點(diǎn)。

2.5 碳鋼及合金鋼

鋼類材料的堆焊取決于鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[67-69]，鋼中的合金元素（包括碳）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)按其作用換算成碳的相當(dāng)含量稱為碳當(dāng)量。經(jīng)驗(yàn)證明，碳當(dāng)量小于0.4 是理想的范圍，碳當(dāng)量越高裂紋傾向就越大，焊接性越差。

低碳鋼的碳當(dāng)量小，塑性好，一般沒有冷裂傾向，焊接性優(yōu)良。中碳鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，通過WAAM 時(shí)易產(chǎn)生淬硬組織和冷裂紋傾向[70，71]，如圖12 所示，一般采取預(yù)熱或者緩冷的工藝措施來預(yù)防裂紋的產(chǎn)生[72-75]。高碳鋼的焊接性更差，一般只限于修補(bǔ)工作。在堆焊過程中，熱循環(huán)一直以來都是研究的重點(diǎn)問題，其對(duì)于堆焊層影響也是沒有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)律。Suryakumar 等[76]研究發(fā)現(xiàn)低碳鋼經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)與硬度成反比，即堆焊層的最后幾層經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)少，所以最后幾層擁有較高的的硬度，同時(shí)他們還認(rèn)為，熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致相鄰受影響層退火和軟化。然而Zeqi Hu[55]在5CrNiMo 熱鍛工具鋼的WAAM中發(fā)現(xiàn)隨堆焊層高度的增加，堆焊層的散熱條件惡化，其頂層組織較為粗大，堆焊層底層硬度要高于頂層，后堆焊層對(duì)前堆焊層起到回火作用，對(duì)于其組織沒有明顯影響。而蔣小華等[77]基于有限元分析軟件ABAQUS，研究低合金鋼與不銹鋼異質(zhì)金屬堆焊殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)后焊焊道對(duì)先焊焊道有一定的退火作用,可以適度降低先焊焊道時(shí)形成的殘余應(yīng)力。對(duì)于不同材質(zhì)的鋼種堆焊制造，觀察微觀組織演變以及其力學(xué)性能將是研究的一個(gè)趨勢(shì)。

圖12 焊接裂紋

劉愛軍等[78]采用CMT 技術(shù)在Q345 鋼表面堆焊高Cr 合金鋼，堆焊層的組織以馬氏體和殘余奧氏體為主，且堆焊層的硬度遠(yuǎn)高于基體硬度。在堆焊過程中由于熱輸入引起的稀釋率同樣研究重點(diǎn)問題，對(duì)于鋼鐵材料的堆焊過程中，普遍認(rèn)為稀釋率的增加會(huì)導(dǎo)致耐磨以及耐腐蝕性能的下降。黃衛(wèi)東等[79]在S271 低合金鋼上堆焊690 鎳基合金，發(fā)現(xiàn)單層單道堆焊時(shí)焊接速度、送絲速度和輸入電流對(duì)稀釋率均有影響。周彥林等[80]采用雙鎢極高效焊接技術(shù)，如圖13，在低合金高強(qiáng)鋼SA-516-70N 基材表面堆焊不銹鋼過渡層和耐蝕層，其稀釋率僅為7.6%。史順望等[81]采用MAG 焊及實(shí)心不銹鋼焊絲進(jìn)行堆焊工藝試驗(yàn)，耐蝕層組織為樹枝狀?yuàn)W氏體組織，電化學(xué)腐蝕性能良好。

圖13 雙鎢極焊接裝置示意圖[80]

此外，可用于堆焊合金不僅局限于這幾種材料，常用的堆焊材料還有鈷基、銅基等材料，堆焊合金的選擇要根據(jù)工作環(huán)境的選擇而確定，不同堆焊合金的化學(xué)成分以及微觀組織對(duì)堆焊層的使用起著決定性的作用[1]。

3 WAAM 技術(shù)存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 存在問題

雖然WAAM 技術(shù)是有廣闊的發(fā)展前景，但WAAM 過程中仍有些關(guān)鍵問題需要考慮。由于WAAM 較其他增材方式輸出熱量較高，通過WAAM制造的零件受到以下因素的影響[82-84]：

（1）成型精度。由于熔滴的過渡方式以及熔池的形狀不可控，對(duì)于堆焊成型后零件的輪廓尺寸以及堆焊層的表面精度會(huì)存在較大的偏差，要采用焊后加工的方式對(duì)堆焊層進(jìn)行加工以達(dá)到理想的精度，但這無疑增加了額外的成本，延長了零件生產(chǎn)周期。

（2）堆焊缺陷。在制備堆焊層過程中，零件在加熱過程中發(fā)生受熱膨脹，而在凝固過程中又由于受冷發(fā)生收縮，熱脹冷縮的過程中使零件產(chǎn)生孔隙、變形和裂紋等缺陷。

（3）工藝參數(shù)調(diào)節(jié)。在堆焊過程中工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)也是關(guān)鍵的方面，對(duì)于不同的堆焊材料應(yīng)選擇不同的堆焊參數(shù)，選擇合適的工藝參數(shù)能形成良好的堆焊層質(zhì)量，從而避免堆焊層產(chǎn)生不必要的缺陷。

（4）堆焊層組織及性能。由于WAAM是快速加熱與快速冷卻的過程，在堆焊過程中熱循環(huán)造成的組織轉(zhuǎn)變較為復(fù)雜，組織的不同決定零件的使用性能。

3.2 WAAM 技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

伴隨著WAAM技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，堆焊增材制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用在了航空航天、石油化工以及采礦等領(lǐng)域，并取得了顯著成效，為制造業(yè)發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。為了使WAAM堆焊技術(shù)更加成熟的應(yīng)用于不同的工業(yè)領(lǐng)域，還需要克服在生產(chǎn)領(lǐng)域面臨的一些挑戰(zhàn)。針對(duì)所面臨的問題，從以下幾個(gè)方面對(duì)WAAM堆焊技術(shù)的發(fā)展做出了展望。

（1）實(shí)現(xiàn)WAAM 堆焊與后處理一體化，縮短零件生產(chǎn)周期。后處理一方面是對(duì)成形后的堆焊層進(jìn)行加工達(dá)到尺寸精度，另一方面對(duì)堆焊層進(jìn)行進(jìn)一步的熱處理，更好的滿足使用要求。將堆焊與后處理整合一體化，從而提高生產(chǎn)效率。

（2）在堆焊過程中采取輔助工藝措施，達(dá)到細(xì)化晶粒、消除應(yīng)力的目的。由于WAAM熱量輸入較大，在成型零件中不可避免的會(huì)出現(xiàn)粗大的的晶粒以及熱膨脹與熱收縮引起的應(yīng)力，通過在堆焊過程中添加輔助工藝減少加熱冷卻過程引起的應(yīng)力，控制堆焊層的冷卻速度來獲得所需的微觀組織。

（3）進(jìn)一步優(yōu)化堆焊時(shí)工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)堆焊層與母材之間的可靠的冶金結(jié)合?？梢葬槍?duì)不同的材料和工藝進(jìn)行研究，以獲得最佳的工藝參數(shù)，針對(duì)不同的材料以及工藝進(jìn)行研究需要投入大量的精力，在這方面還有很長的路要走。

（4）根據(jù)不同的工作環(huán)境，開發(fā)適用于WAAM技術(shù)的優(yōu)異堆焊材料。在兼顧環(huán)境保護(hù)與利益的前提下，根據(jù)不同的母材與工作環(huán)境開發(fā)更加耐用的堆焊材料，進(jìn)一步提升零件的使用壽命。

（5）借助仿真軟件，模擬堆焊過程中殘余應(yīng)力、復(fù)雜的熱循環(huán)，預(yù)測(cè)堆焊過程中可能產(chǎn)生的缺陷并進(jìn)行準(zhǔn)確分析，為實(shí)際生產(chǎn)提供支持。

4 總結(jié)

綜上所述，WAAM 技術(shù)以其較低的設(shè)備成本，較高的材料利用率以及較高的生產(chǎn)效率被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。雖然在WAAM的過程中還有較多的問題亟需解決，但隨著WAAM技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，這些生產(chǎn)中存在的問題都可以通過采用合理的工藝得到彌補(bǔ)。伴隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，增材制造技術(shù)的發(fā)展與成熟，需要堆焊增材制造的領(lǐng)域也越來越多，對(duì)堆焊增材制造技術(shù)的發(fā)展提供了更多的道路。同時(shí)隨著人們資源保護(hù)意識(shí)加強(qiáng)，通過增材制造技術(shù)修復(fù)零件或者對(duì)零件進(jìn)行表面改性的應(yīng)用前景更加廣闊。