電弧增材制造控形改性技術研究進展

張栩菁　魏艷紅　趙文勇　龍金衛(wèi)　劉仁培

摘要：以電弧作為熱源的電弧填絲增材制造技術（WAAM），使用金屬焊絲作為熔覆材料，以層間堆焊的方式，可生產(chǎn)出焊接缺陷少、力學性能好的構件，在航空航天、船舶制造、生物醫(yī)學等領域有重要應用前景。針對電弧增材制造過程中，表面成形精度及組織性能難以準確調(diào)控的難點，文中從控制電弧增材表面成形和組織性能兩方面綜述了國內(nèi)外研究進展。按照在增材制造時調(diào)控手段的介入階段不同，將調(diào)控手段分為在增材過程中的調(diào)控、在增材過程后的調(diào)控兩大類，分別闡述各改善調(diào)控工藝技術的原理特點和存在問題及電弧增材制造形性調(diào)控未來發(fā)展方向。

關鍵詞：電弧增材;表面成形;組織;性能;研究進展? ?中圖分類號：TG444

Researchprogressonformingcontrolandperformanceimprovementtechnologyofarcadditivemanufacturing

ZhangXujing，WeiYanhong，ZhaoWenyong，LongJinwei，LiuRenpei

（NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210000，Jiangsu，China）

Abstract：Takingarcfillerwireadditivemanufacturingtechnology（WAAM）witharcasheatsourceandusingmetalweldingwireascladdingmaterial，componentswithfewweldingdefectsandgoodmechanicalpropertieswereproducedbyinterlayersurfacing，whichhadimportantapplicationprospectsinaerospace，shipbuilding，biomedicalscienceandotherfields.Inviewofthedifficultythatitwasdifficulttoaccuratelycontrolthesurfaceformingaccuracy，microstructureandpropertiesintheprocessofarcadditivemanufacturing，theresearchprogressathomeandabroadfromthetwoaspectsofcontrollingthesurfaceformingandmicrostructureandpropertiesofarcadditivetechnologywassummarizedinthispaper.Accordingtotheintroductionstageintheadditivemanufacturingprocess，thecontrolmeansweredividedintotwocategories，namelycontrolintheadditiveprocessandcontrolaftertheadditiveprocess.Theprinciple，characteristicsandexistingproblemsofvariousimprovedcontroltechnologiesweredescribed，aswellasthefuturedevelopmentdirectionofshapecontrolinarcadditivemanufacturing.Keywords：arcadditivemanufacturing;surfaceforming;microstructure;properties;researchprogress

前言

增材制造技術（Additivemanufacturing）是一種自下而上逐層熔覆，制造三維實體構件的制造技術，是第三次科技革命的顛覆性技術之一，近30年來發(fā)展十分迅猛，大到航空航天、船舶機械，小到人類衣食住行，都能很好的契合現(xiàn)代制造業(yè)所需的設計復雜，性能優(yōu)越的生產(chǎn)要求。

傳統(tǒng)制造業(yè)有2種制造工藝，一種是等材制造，一種是減材制造。等材制造如古代的鑄劍、熔模鑄造;減材制造包括常見的車、銑、刨、磨、鉆等手段。相較于傳統(tǒng)制造，增材制造技術能有效提高材料利用率，豐富材料制造設計端的設計復雜性，且具有制造過程簡單，生產(chǎn)周期短等特點＼[1＼]。目前，增材制造作為一種近凈成形工藝，是現(xiàn)代綠色制造、低碳高效產(chǎn)業(yè)的重點發(fā)展方向。其中以電弧為熱源的電弧填絲增材制造技術（WAAM），其原理是使用金屬焊絲作為熔覆材料，以層間堆焊的方式，可生產(chǎn)出焊接缺陷少、力學性能優(yōu)異的構件＼[2-3＼]。相比于激光增材、電子束增材，WAAM在沉積速率、材料利用率、構建大型復雜金屬構件等方面具有顯著優(yōu)勢，且WAAM的成本較低，具有更廣泛的適用性＼[4＼]。尤其在航空航天，船舶機械等有眾多較大尺寸、中低程度復雜構件裝備的領域，電弧填絲增材技術能夠在滿足服役條件要求下，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

進入21世紀以來，電弧填絲增材技術得到了快速發(fā)展和進步，WAAM在眾多領域都有許多相對成熟的案例＼[5-7＼]。但是該技術仍然存在表面成形精度難以滿足復雜構件要求、組織性能難以控制、層間結合處偏析以及內(nèi)部氣孔等缺陷難以消除，需要進行二次加工等問題＼[8-11＼]。如不進行技術優(yōu)化或處理，難以滿足核電、航空、航天、武器裝備等大型零部件制造的技術要求。

目前，對于調(diào)控電弧增材過程中的成形精度及組織性能已經(jīng)開展了廣泛研究，在工藝技術及裝備制造方面進行了大量的探索，對電弧增材制造技術的進步發(fā)展起到了積極的推動作用，具有十分重要的科研和工程應用意義。

1電弧增材制造形性調(diào)控方法分類

良好的表面成形精度是評定電弧增材構件質量的重要指標，尤其是對于表面成形精度要求高的復雜構件有著重要意義，而組織性能的調(diào)控更是對所有金屬加工制造都具有非要重要的影響。當前能改善電弧填絲增材制造表面成形精度或提高組織性能的方法眾多，有學者＼[12＼]按調(diào)控原理分類，將復合式增材制造技術分為3大類，分別是增減材復合技術、增等材復合技術和特殊能場輔助技術;也有學者＼[10＼]按調(diào)控目的將調(diào)控方法分為表面成形精度調(diào)控、增材內(nèi)部缺陷調(diào)控、應力應變調(diào)控和微觀組織調(diào)控4種方法。文中按照調(diào)控手段在增材制造過程中施加的時間段分為：在電弧增材過程中的調(diào)控、在電弧增材過程后的調(diào)控。其中在增材過程中的調(diào)控主要是同步熱加工，如復合銑削、同步層間軋制、同步層間噴丸、同步層間錘擊等，以及輔助冷卻和引入特種能場輔助電弧增材。而增材過程后的調(diào)控主要包括各種冷熱加工，如增材結束后進行銑削、軋制、鍛造、噴丸及各種熱處理方式等。

2電弧增材過程中成形和性能的調(diào)控

在電弧增材過程中進行表面成形和組織性能的調(diào)控難度較大且工藝復雜，但是層間調(diào)控往往能達到更好的調(diào)控效果，且對生產(chǎn)效率影響較小，在對精度和性能要求普遍較高的航空航天、車輛船舶、生物醫(yī)藥等領域有很大發(fā)展?jié)摿?。因此國?nèi)外學者對電弧增材過程中可施加的調(diào)控方法進行了大量研究，主要有以下幾種方式。

2.1同步隨層銑削

在電弧增材過程中，由于焊縫熔池金屬流動，加上層間熱累積嚴重，在層與層之間極容易產(chǎn)生凹凸不平，所導致的精度偏差難以避免。因此，有學者融合增減材制造各自的優(yōu)勢，在增材制造進行的過程中，同時對構件進行銑削等減材加工，這不僅提高了增材構件表面成型精度，還保證了制造效率。

增材復合銑削技術最早在美國學者Fesslar等人＼[13＼]在其開發(fā)的（Shapedepositionmanufacturing，SDM）工藝上運用了銑削加工來消除金屬沉積過程中的臺階效應。為提高成形效率，有學者研究了隨層銑削。Karunakaran等人＼[14＼]提出一種基于電弧熔絲的電弧疊層制造工藝（ArcHybridlayeredmanufacturing，ArcHLM），在每層堆疊完成后對構件表面進行數(shù)控銑削（Computernumericalcontrol，CNC）處理。該工藝使得電弧增材與銑削加工整合到同一制造平臺進行，相比于在整個增材工序完成后進行CNC銑削處理，時間花費節(jié)約42%，成本節(jié)省28%，不僅提高了電弧增材構件成形精度，更保證了復合制造的高效進行。同時，國內(nèi)學者也研究了復合銑削工藝相結合的軟硬件，如夏然飛等國內(nèi)學者＼[15＼]也搭建了一套電弧增材與銑削減材復合的工藝系統(tǒng)，如圖1所示，能隨層或進行后處理銑削，并輔以專用工藝軟件，優(yōu)化焊接-銑削參數(shù)，使得增減材復合加工高效高質量進行。

在復合層間銑削過程中，由于減材加工過程隨著電弧增材過程同步進行，而電弧增材過程中熱累積效應十分嚴重，此時同步的減材加工將在高溫下進行，對加工刀具的熱強性和耐磨性有很高要求＼[16＼]。并且，由于嚴重的熱累積效應使得電弧增材過程中的構件處于熱塑性狀態(tài)，在此過程對增材構件進行加工會使得工件發(fā)生某些有害變形，不僅不能增加成形精度，甚至加大構件變形程度。因此，對于增材過程中所同步的減材加工工藝參數(shù)應當予以嚴格控制，盡量避免進行二次加工。

2.2同步層間軋制

軋制可以通過機械力產(chǎn)生一定的塑形變形，形成一定的強化層，并且細化晶粒，減少氣孔等組織缺陷，從而改善電弧增材構件的力學性能。事實證明，層間軋制能減少增材構件的殘余應力和變形＼[17＼]。且相比于增材冷卻后軋制，層間軋制更能改善層間組織性能，減少層間缺陷，增強力學性能均勻性。國內(nèi)外學者在電弧增材中復合層間軋制，主要有兩方面原因：首先，是為了減小層間熱累積造成的晶粒粗大，通過軋制細化晶粒。Donoghue等人＼[18＼]在電弧增材制造后對鈦堆積金屬進行層間軋制處理，由于層間熱累積嚴重，β相晶粒會隨層繼續(xù)長大，如圖2所示，相較于增材完畢進行軋制，層間軋制能夠有效破碎了粗大的β相晶粒和α晶粒，從而進一步提高力學性能。其次，是通過軋制閉合氣孔，降低氣孔率。如Fixter等人＼[19＼]在2000系鋁合金中引入層間軋制，在一定程度上細化了晶粒并降低氣孔率。Gu等人＼[20＼]同樣在鋁合金電弧增材制造過程復合了一定壓力和形變量的層間軋制，如圖3所示，在軋制過程中使得2319鋁合金電弧增材構件中的氣孔閉合，孔隙中先前存在的氫可能會在位錯和空隙產(chǎn)生的晶體缺陷中重新分布。同時由于在機械力的作用下，晶粒更加細化，形成了一定厚度的強化層，對比未引入層間軋制的構件來說，力學性能提高了約30%。

層間軋制在增材制造過程的每一層都施加了一定時間的載荷，因此其對層間組織性能的改善更佳，但同樣由于層間軋制過程中，加工金屬還未來得及完全冷卻，屬于熱塑性狀態(tài)，進行軋制會使得堆積層在壓力的作用下向兩側外擴，無法保證成形精度，因此對于層間軋制后的工件可能需要進行銑削等機加工。且目前層間軋制多用于形狀簡單的壁狀結構，對于形狀稍微復雜，或者增材構件拐彎、大變形處，或考慮使用形狀結構特別設計的軋制器具。

2.3同步層間噴丸

噴丸強化是利用力和某些能量的作用，對構件進行表面沖擊，在一定深度產(chǎn)生塑性變形，獲得對應厚度的強化層，利用強化層所存在的殘余應力抵消零件所受的部分載荷，以提高工件疲勞強度。

噴丸處理主要分為機械噴丸（Shockpeening，SP），以及利用能場沖擊達到噴丸效果，如激光沖擊強化（Lasershockpeening，LSP）和超聲沖擊強化（Ultrasonicshockpeening，USP）。其中同步層間噴丸主要利用激光沖擊強化和超聲沖擊強化這2種手段。

激光沖擊強化（LSP）類似于機械噴丸強化，所不同的是LSP屬于非接觸式強化，同樣能在構件表面產(chǎn)生一定厚度的殘余應力強化層，改善材料的微觀組織，提高表面力學性能。雖然激光沖擊強化成本稍高，但是其效果卻是最好的，能解決其他表面處理不能解決的問題。

北京航空航天大學孫汝劍等人＼[21＼]采用LSP技術，對電弧增材后的2319鋁合金薄板進行處理，發(fā)現(xiàn)在激光沖擊的作用下，電弧增材后的2319鋁合金晶粒得到細化，平均晶粒尺寸由68.86μm減小到34.32μm，如圖4所示。并且LSP后，式樣內(nèi)的位錯密度有所增加，顯微硬度從68.8HV提高到了100.6HV，且構件內(nèi)部殘余應力狀況得到改善。

Kalentics等人＼[22＼]提出了一種3D激光沖擊強化技術，對增材制造的316L不銹鋼進行3DLSP處理，發(fā)現(xiàn)沖擊強化層的殘余應力大小和深度較傳統(tǒng)激光沖擊強化都得到顯著提高。

超聲沖擊（USP）也是一種接觸式的，利用應力強圖4晶粒微觀組織化層強化的強化方式，其主要目的也是細化晶粒和閉合氣孔。Tian等人＼[23＼]在鋁合金電弧增材過程層間施加超聲沖擊，發(fā)現(xiàn)氣孔大小和數(shù)量降低，晶粒得到細化。華中科技大學何智等人＼[24＼]對電弧增材制造鈦合金零件進行超聲沖擊，發(fā)現(xiàn)超聲沖擊不僅能細化晶粒，促進位錯增殖，還可以減小橫縱抗拉強度之間的各向異性。Gou等人＼[25＼]研究發(fā)現(xiàn)，在鈦合金CMT電弧增材制造過程中引入立體超聲噴丸，可以細化先析β相和次生α相，同時誘導晶界滑移和旋轉，有效提高TC4鈦合金力學性能。南京航空航天大學武勇等人＼[26＼]在鋁合金電弧增材各熔覆層之間引入超聲沖擊，發(fā)現(xiàn)在超聲沖擊下，等軸組織晶粒減小，直徑小的氣孔直接閉合，構件抗拉強度和屈服強度較未沖擊式樣有所增強。

以非接觸能場進行的層間噴丸能夠達到良好的強化效果，加工過程對表面成形精度的影響較小，但裝備成本稍高。主要在于探究最佳的工藝參數(shù)，如功率、頻率等，以使構件達到最佳服役性能。

2.4同步層間錘擊

與同步層間軋制和噴丸類似，也是通過在層間產(chǎn)生產(chǎn)生一定應力的強化層來提高增材式樣的力學性能，不過錘擊的瞬時沖擊力大，自由度高，因此也是一種高效靈活的增材復合處理方式。

同步錘擊需在焊層未完全冷卻時，對其施加機械沖擊力。Xiong等人＼[27＼]在電弧增材過程中，在距離開始焊接的焊槍一定距離的位置施加一定載荷的機械錘擊，發(fā)現(xiàn)錘擊后的焊層表面力學性能提高，如圖5所示，這主要是由于錘擊在再結晶階段產(chǎn)生大量的位錯，并細化晶粒，從而產(chǎn)生一定的位錯強化和細晶強化。這與Fang等人＼[28＼]的研究結果一致。

雖然層間錘擊能產(chǎn)生高密度位錯，細化表層晶粒，從而強化增材式樣的力學性能，但是由于瞬時沖擊力大，且受錘頭形狀的影響，不同區(qū)域組織改性不均勻，且在熱塑性變形階段的錘擊難以控制成形精度，這也是層間錘擊提高性能與精度難以控制的矛盾點。

2.5同步輔助冷卻

由于在電弧增材過程中層間熱累積嚴重，對導熱系數(shù)低的金屬如鋼和鈦合金，在電弧增材過程中容易有焊層塌陷，形狀扭曲等不利于保證成形精度的現(xiàn)象產(chǎn)生。并且由于層間熱積累嚴重，晶粒在熱的作用下會有一定程度的熱生長，產(chǎn)生對性能不利的組織，從而降低增材構件的力學性能。為避免層間熱累積造成的不利影響，常見的方法是等焊層自然冷卻一段時間后繼續(xù)加工，但這將浪費更多的時間成本。因此，快速削弱電弧增材過程中的熱累積作用是有必要的，國內(nèi)外學者也對電弧增材過程的輔助冷卻工藝做了相關研究。現(xiàn)有電弧增材制造輔助冷卻工藝按冷卻介質分，主要有2種：第一種是利用二氧化碳、氮氣等氣體冷卻。Wu等人＼[29＼]用電弧填絲增材制造技術（WAAM）輔以CO2強制冷卻制造Ti6Al4V薄壁結構，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)在引入CO2氣體冷卻后，大量層片狀α相被針狀α相取代，同時表面晶粒得到細化，并且通過對外觀形貌的觀察發(fā)現(xiàn)強制冷卻能降低塌陷，提高層高，有利于薄壁件生產(chǎn)。并且，Hackenhaar等人＼[30＼]通過對噴氣強制冷卻的電弧增材過程模擬發(fā)現(xiàn)，噴氣強制冷卻不僅能有效降低電弧增材過程中的熱積累效應，還能有效提高成形效率。第二種是利用液體冷卻。daSliva等人＼[31＼]探索了一種名為近浸入式主動冷卻（NIAC）的熱管理技術，以減輕電弧填絲增材制造（WAAM）中的熱量積累，其原理如圖7所示，其中：Qcond為傳導散熱;Qconv為對流散熱;Qrad為輻射散熱。通過這種技術制造出的鋁合金薄壁件更加的細長，表面“臺階效應”降低，且構件力學性能的各向異性減小，還不會增加氣孔率，表面成形質量和力學性能都得到提升。這與Reisgen等人＼[32＼]的研究結論類似。對于鋼材來說，對WAAM成形件進行水冷，類似于淬火作用，能獲得理想的微觀組織，較傳統(tǒng)軋制工藝能增強延展性，減小各向異性，并提高抗拉強度＼[33＼]。氣體主動冷卻由于冷卻效率較低，主要適用于輔助冷卻薄壁構件，而液冷雖然冷卻效率高，但冷卻過程難以控制，缺乏有效的監(jiān)控手段，對工藝要求更苛刻。在電弧增材過程中的輔助冷卻既要考慮冷卻效率，也要考慮冷卻介質產(chǎn)生的不利影響，需要探究更加適宜的冷卻介質和冷卻方式，如氣溶膠等具有良好潛力的冷卻介質＼[32＼]，并能適用于復雜結構和厚壁結構件的冷卻應用。

2.6引入特種能場輔助

可以通過在電弧增材過程中引入激光、電場、超聲、磁場等能量場，在電弧增材層間堆積階段干涉熔池金屬流動及晶粒形核長大，從而對增材構件表面成形以及組織性能進行宏觀和微觀尺度的調(diào)控，以獲得成形精度高，性能優(yōu)越的結構件。

激光輔助電弧增材技術之中，除了激光沖擊強化之外，激光輔助調(diào)節(jié)電弧狀態(tài)的技術也應用較廣。

Gao等人＼[34＼]研究發(fā)現(xiàn)，在電弧焊過程中引入激光可以使得電弧穩(wěn)定，且在一定范圍內(nèi)隨著激光功率的增大，電弧穩(wěn)定性增強，從而使得焊縫熔池保持尺寸和熱力穩(wěn)定。陳曦等人＼[35-36＼]通過對激光影響電弧形態(tài)的研究，研發(fā)了激光約束電弧增材裝備，激光可以多方位調(diào)控電弧，使得電弧產(chǎn)生更多的等離子體，使電弧能量密度提高，增強電弧力，提高電弧挺度及穩(wěn)定性，如圖8所示。

超聲輔助電弧增材技術，除了超聲沖擊是利用應力強化層強化，其余輔助機理主要是通過影響熔池金屬流動和熔融金屬凝固結晶的過程來達到改善表面成形精度及組織性能的作用。許明方等人＼[37＼]在TC4合金冷金屬過渡（Coldmetaltransfer，CMT）增材基礎上引入超聲輔助作用于增材過程，發(fā)現(xiàn)由于超聲加速熔池攪拌，使得散熱變快，組織冷卻速度增加，從而產(chǎn)生了針狀馬氏體α相。

除了將超聲直接作用于增材構件，孫寧等人＼[38＼]將超聲振動施加于CMT電弧增材制造的焊槍上，發(fā)現(xiàn)施加超聲會使得CMT抽拉絲周期明顯縮小，至多可以提升近43%，從而提高熔覆層截面積。Zhang等人＼[39＼]將超聲作用于基板，通過基板傳遞超聲以影響熔池，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)超聲振動對熔池產(chǎn)生的聲流效應，可以減少第二相的析出并改變其形態(tài)，還可以細化晶粒，使組織均勻化，從而改善構件的性能。與超聲不同，外加磁場輔助除了影響熔池金屬流動和熔融金屬凝固結晶的過程，還能影響電弧狀態(tài)以及熔滴過渡過程。通過調(diào)整合適的磁場參數(shù)，優(yōu)化外加磁場對構件表面成形和組織性能的影響，可以為電弧增材制造“形”、“性”多方面調(diào)控手段提供另一種研究思路＼[40＼]?，F(xiàn)階段對外加磁場影響電弧增材的研究集中在磁場類型（縱向、橫向、尖角磁場）的影響、磁場改善電弧狀態(tài)和能量分布、磁場作用下對液態(tài)金屬的流動和凝固行為、磁場輔助電弧焊影響焊縫表面成形、磁場輔助電弧焊對焊接缺陷產(chǎn)生以及磁場輔助電弧焊改善焊縫微觀組織和性能這幾個方面。

在磁場對電弧形態(tài)作用方面，黃武東等人＼[41＼]在5083鋁合金脈沖熔化極氣體保護焊堆焊實驗中引入外加縱向磁場，如圖10所示，電弧受到洛倫茲力的作用，發(fā)生收縮，并快速旋轉，但未偏轉，仍保持左右對稱的鐘罩狀。由于熔池受到外加電磁力作用，發(fā)生流體擾動，影響熔池流動的對稱性。盧振洋等人＼[42＼]研究發(fā)現(xiàn)，在外加橫向旋轉磁場情況下，TIG焊接電弧運動變化和磁場變化一致，且電弧半徑與勵磁電流成正比和勵磁頻率成反比。

在磁場對焊縫成形的影響方面，王啟偉等人＼[43＼]做出了大量研究，如圖11所示，發(fā)現(xiàn)在外加縱向磁場作用下，保持其他條件不變的情況下，隨著勵磁電流的增大，焊縫余高變小，熔池寬度增加。并且焊縫兩側潤濕角縮小、焊道變得更加寬扁，焊縫表面成形質量和精度有所提高。在經(jīng)過優(yōu)化的磁場參數(shù)下試驗能獲得表面成形好的多層熔敷式樣。Zhao等人＼[44＼]也發(fā)現(xiàn)，在AlMg合金電弧增材過程中輔助合適的縱向磁場，利用電磁力攪動熔池，影響熔融金屬的流動，可以使得焊層熔池變寬，熔池余高降低，尤其是表面臺階效應相比同參數(shù)未施加磁場對照組得到明顯削弱，提高了表面成形質量。

在外加磁場對熔池流動的影響方面。Wang等人＼[45＼]通過對Inconel625合金進行電弧增材研究發(fā)現(xiàn)，在磁場的作用下電弧發(fā)生旋轉，熔池也會隨著電弧旋轉發(fā)生攪動，并且由于賽貝克效應表面形成熱電流，在磁場下產(chǎn)生與熔融金屬初始運動相反的洛倫茲力，使得熔池攪動作用更強烈。國內(nèi)學者柏興旺等人＼[46＼]對GTAW堆焊外加縱向和橫向磁場的影響進行了理論分析，如圖12所示，闡釋了磁場對熔池對流的影響。發(fā)現(xiàn)縱向磁場的引入能攪拌熔融金屬，產(chǎn)生更多的異質形核點并使得晶粒更加破碎，與此同時，由于電磁力的攪拌作用，使得焊縫的熔寬變得更寬;而橫向磁場加入則會使電磁力對熔池流動的影響大大增加，熔池流動會演變成“單渦”對流狀態(tài)，這有利于穩(wěn)定的熔滴過渡，減小焊接飛濺，從而提高成形質量。

特殊能場能良好的調(diào)控成形性能，其中縱向磁場還能改善表面成形精度，橫向磁場還能提高焊接效率，針對不同構件探究特定的合工藝參數(shù)尤為重要。但是由于特種能場對熔池凝固以及流動行為的影響機理，以及微觀組織演化規(guī)律研究不夠深入，以及各類能場介入時機，施加位置等都需要考慮，因此獲取合適工藝參數(shù)成本較大。

3電弧增材結束后成形和性能的調(diào)控

在電弧增材后表面成形和組織性能的調(diào)控方法中，除了磁場、電場等某些特殊能場不便使用外，其他方法的調(diào)控原理與電弧增材過程中調(diào)控幾乎相同，不過加工工藝簡化了許多，幾乎都是一次加工完成，但除增材后熱處理外，性能往往不如隨層調(diào)控優(yōu)異?，F(xiàn)有研究主要集中在以下幾方面。

3.1增材后銑削

在增材式樣冷卻后對增材后的構件進行表面銑削，能夠比較容易一次達到滿足服役要求的表面精度，也延長了加工刀具壽命，但是效率不如同步隨層銑削高效。

Jeng等人＼[47＼]應用增材復合銑削的方式進行模具制造，成形精度滿足要求，但是加工時間較長。國內(nèi)學者也對此進行了廣泛研究，如圖13所示，華中科技大學Xiong等人＼[48＼]利用等離子沉積加銑削（HPDM）的加工方式，能夠有效消除臺階效應，提高成形精度，將結構件的尺寸誤差控制在0.05%以下。

增材后銑削能一次性滿足表面成形精度要求，但是由于是在增材過程完成并冷卻后進行銑削，生產(chǎn)周期要比隨層銑削長。

3.2增材后軋制

對增材后的式樣進行軋制也較早應用于試驗生產(chǎn)中。McAndrew等人＼[49＼]對不同形狀厚度的增材構件采用不同的軋制方式，如圖14所示，有效破碎了粗大的晶粒，強化層深度可以達到表面以下3mm，使堆積金屬力學性能提高了20.3%。

增材后軋制除了能優(yōu)化組織性能，還能在一定程度上提高表面精度。Dirisu等人＼[50＼]對電弧增材的鋼構件進行軋制加工，發(fā)現(xiàn)軋制可以使得鋼的增材構件臺階效應造成的波紋開口減小，不僅提高了表面精度，也使得拉伸過程中應力集中下降，降低裂紋和應力變形產(chǎn)生，從而提高產(chǎn)品服役期限，如圖15所示。

由于軋制的塑形強化層深度有限，因在增材過程完畢之后進行軋制，強化層只會在表面附近，對于更深層的組織細化和氣孔消除不明顯，因此增材后軋制更適用于薄壁件。

3.3增材后鍛造

對于工業(yè)制造中服役條件惡劣，性能要求優(yōu)異的重要增材零件，可以采用鍛造和增材制造復合的方式制造。鍛造可以改善微觀組織，有效減少增材制造過程中產(chǎn)生的氣孔等缺陷，從而提高增材制造產(chǎn)品質量。

Pruncu等人＼[51＼]發(fā)現(xiàn)通過熱鍛的316L不銹鋼增材樣品，相比未處理的增材構件，實現(xiàn)了20%的拉伸強度極限和70%的延展性改進。Hopper等人＼[52＼]對316L不銹鋼增材式樣進行正火和熱鍛，沉積態(tài)和熱鍛處理后，發(fā)現(xiàn)正火和熱鍛后的不銹鋼增材構件的力學性能有明顯提升，這主要是由于熱鍛能夠降低增材構件孔隙率，致密度可提高至99%，并在一定程度上細化晶粒，從而增強力學性能。

同增材制造結束后進行軋制一樣，增材后鍛造也主要適合于薄壁件，同時也得考慮熱塑性條件下鍛造過程對于成形精度的影響。

3.4增材后噴丸

機械噴丸（SP）一般是將實物彈丸以極快速度沖擊到式樣表面，同樣使得式樣表面產(chǎn)生一定程度的塑性變形，獲得一定厚度的強化層。但是相對于層間噴丸作用于式樣每一層，機械噴丸的強化層深度有限，因此比較適用于薄壁件。

AlMangour等人＼[53＼]利用機械噴丸的方法對不銹鋼增材構件進行后處理，通過應力誘導奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，并使得晶粒細化，工件表面硬度、耐磨性都有所提高，如圖16所示。

同樣，超聲噴丸（USP）和激光噴丸（LSP）同樣也是增材構件后期加工的重要方法。Hackel等人＼[54＼]研究認為，激光噴丸（LSP）的強化層深度更深，在增材制造成形之后使用，提高疲勞強度等非常有效，但如果在增材層間使用，除了增加時間成本以外，也會使得經(jīng)濟成本提高，且制造流程復雜化，因此激光噴丸更適用于增材完畢后使用。

3.5增材后熱處理

由于電弧增材過程經(jīng)歷了多次熱循環(huán)，不僅金屬的晶粒會有所長大，還有可能造成析出強化相重新溶解等問題，因此除了上述幾種機械加工外，對電弧增材過程中的缺陷消除和組織性能改善還可以用熱處理的方式。但是由于電弧增材過程中涉及的金屬化學冶金過程不完全與傳統(tǒng)鑄造相同，因此也有眾多學者對也電弧增材后的熱處理進行了相關的研究，主要涉及鋁合金和鋼這兩種熱處理廣泛應用的材料。

對于鋁合金，Gu等人＼[55＼]發(fā)現(xiàn)，電弧增材制造后的2319鋁合金，固溶加人工時效的熱處理相比于軋制能更好的提高增材后的2319鋁合金強度。在此基礎上，Zhou等人＼[56＼]對電弧增材后的2219鋁合金進行了固溶和時效處理，發(fā)現(xiàn)540℃是電弧增材制造后2219鋁合金的適當固溶處理溫度，在該溫度下的固溶處理可提高電弧增材制造2219鋁合金的綜合力學性能。這是由于當固溶處理溫度從520℃上升到540℃時，過飽和式樣可以析出大量細小和均勻分布的θ”相，最終形成穩(wěn)定的強化相θ相。

對于鋼材，Zhang等人＼[57＼]通過對電弧增材后的不銹鋼進行熱力學計算，計算出奧氏體—鐵素體雙相不銹鋼最佳配合比時的熱處理工藝，并得到了試驗驗證。同時Nemani等人＼[33＼]通過對電弧增材后的EH36鋼板進行空冷和水淬比較發(fā)現(xiàn)，水淬后的鋼板形成了理想的顯微組織，幾乎消除了各向異性并增強了抗拉性能和22%的延展性。

以上針對電弧增材后構件進行熱處理的研究表明，熱處理在改善增材后構件性能方面有巨大潛力，但由于熱處理在增材后的成熟工藝較少，未形成完整的處理體系，對不同的材料和構件需要大量成本探究其適合的特定工藝，同時熱處理所需時間較銑削、軋制等機加工更長，將延長生產(chǎn)周期，更大程度削弱增材制造原本的快捷高效優(yōu)勢。

4總結與展望

目前，電弧增材制造技術已經(jīng)在制造工藝、制造裝備系統(tǒng)等方面進行了大量研究，也取得了許多有效成果。但是在表面成形精度、微觀組織以及力學性能控制方面，調(diào)節(jié)范圍較小，工藝普適性不高，對其中的作用機理，尤其是特殊能場在電弧增材過程中的作用機理并未進行系統(tǒng)深入的理論分析。未來，電弧增材表面精度以及組織性能控制的發(fā)展，主要方向集中在以下幾方面。

（1）深入研究成形精度和組織性能控制機理，增強可控性?，F(xiàn)有眾多技術中，減材和等材控制機理比較清析，能對電弧增材構件成形和性能實現(xiàn)較好控制。但對于特殊能場的影響機理，缺乏深入的理論支撐，難以有效的提高控制精度，因此需要深入研究其物理、化學冶金過程，以在電弧增材過程中實現(xiàn)對其任意部位成形和性能有效控制。

（2）再復合增材制造技術發(fā)展。增減材、增等材以及特種能量場輔助電弧增材制造各有優(yōu)勢和缺點，將這三種技術進行再復合，以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，既能實現(xiàn)增減材在表面精度控制優(yōu)勢，也能發(fā)揮增等材在組織性能調(diào)控方面的特點，特殊能場還能在此基礎上進一步改善表面成形和組織性能，具有良好的潛力，這也是未來電弧增材成形及性能控制的發(fā)展趨勢。

（3）搭建智能化、高復合的電弧增材制造平臺。電弧增材過程成形、性能控制復雜，在現(xiàn)有焊接機器人等焊接設備基礎上，構建復合控制成形和性能的加工裝置，布置多種信號傳感檢測等硬件，以進行實時檢測，形成閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，以及搭建數(shù)據(jù)庫等軟件，提高電弧增材平臺的集成度和智能化，以更好的實現(xiàn)電弧增材成形和性能的控制。

（4）難焊材料，復雜構件電弧增材工藝裝備研究。在電弧增材制造的過程中，采用的原料集中于易成形金屬或焊接性良好的合金，且難以實現(xiàn)復雜構件的堆積成形。針對難焊材料以及復雜結構件，應將繼續(xù)研發(fā)相關工藝技術和制造裝備，能夠柔性、高效、低成本的實現(xiàn)相對而言種類廣泛、形態(tài)各異的金屬構件增材制造。

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收稿日期：2021-10-07

張栩菁簡介：碩士研究生;主要從事電弧增材制造方向的研究;2392023460@qq.com。

魏艷紅簡介：通信作者，博士，教授，博士生導師;主要從事焊接數(shù)字化與智能化軟件開發(fā)、焊接過程有限元仿真、接頭組織演化模擬、接頭力學性能預測等方向的研究;已發(fā)表論文260余篇;yhwei@nuaa.edu.cn。