復(fù)合式增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展

熊曉晨 秦訓(xùn)鵬 華 林 胡澤啟 紀(jì)飛龍

1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430070 2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢，430070 3.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，武漢，430070

0 引言

金屬增材制造(additive manufacturing，AM)通過(guò)對(duì)三維數(shù)字化模型進(jìn)行分層切片、逐層疊加，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀、曲面型腔、梯度功能零部件的近凈成形，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，具有無(wú)模制造高柔性、短流程、高效率、低成本的特點(diǎn)，目前在航空航天、國(guó)防軍工、汽車制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

金屬增材制造過(guò)程為多物理場(chǎng)耦合的短時(shí)強(qiáng)非平衡冶金過(guò)程，增材層顯微組織以尺寸粗大的柱狀晶為主，成形制件內(nèi)易形成氣孔、夾渣、隔層、裂紋等冶金缺陷，嚴(yán)重影響其服役性能[1-5]。同時(shí)，增材制造過(guò)程中，基體強(qiáng)約束下微熔池快速凝固、非平衡固態(tài)相變、沉積層周期性急冷急熱、外部強(qiáng)烈機(jī)械約束，使制件內(nèi)存在復(fù)雜的凝縮應(yīng)力、組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，易造成變形與開裂，成形精度難以有效控制[3-6]。如何實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的高性能、高精度增材成形制造是長(zhǎng)期以來(lái)業(yè)界重點(diǎn)研究和解決的問(wèn)題。

將基于不同原理的制造方法與增材制造技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，形成兼具兩者優(yōu)勢(shì)的“AM+”復(fù)合式增材制造技術(shù)，可以有效提高制件的成形精度和性能。復(fù)合式增材制造通過(guò)引入力、超聲、電磁、激光等輔助能場(chǎng)，作用于增材制造過(guò)程和后處理階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)增材制件從顯觀組織、介/宏觀缺陷到宏觀形性的多尺度調(diào)控，獲得性能優(yōu)異、成形精度高的增材制件，是金屬增材制造當(dāng)前正快速發(fā)展的重要方向，也是當(dāng)前最受學(xué)術(shù)界關(guān)注的先進(jìn)制造技術(shù)之一，中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)將“特種能場(chǎng)輔助制造的科學(xué)原理”列為2020年十大前沿科學(xué)問(wèn)題之一。

1 復(fù)合式增材制造分類

按外加輔助制造方法加工原理分類，復(fù)合式增材制造技術(shù)可分為三大類：一是與切削加工材料“去除”原理相結(jié)合的增減材復(fù)合制造技術(shù)；二是與軋制、鍛造、噴丸“等量”制造原理相結(jié)合的增等材復(fù)合制造技術(shù)；三是與超聲、電磁、激光等特種能場(chǎng)相結(jié)合的特種能場(chǎng)輔助增材制造技術(shù)。三大類技術(shù)中，外加輔助制造與增材制造存在工序分離式、交叉協(xié)同式和同步跟隨式三種復(fù)合形式。

2 增減材復(fù)合制造技術(shù)

2.1 研究現(xiàn)狀

金屬增材制造在零件成形精度和表面質(zhì)量控制方面存在較大的局限性，難以實(shí)現(xiàn)零件的直接高精成形。而基于材料“去除”原理的切削加工在零件成形精度和表面質(zhì)量控制方面表現(xiàn)優(yōu)異，且穩(wěn)定性好。因此，將增材制造與切削加工進(jìn)行復(fù)合，形成增減材復(fù)合制造技術(shù)，既可以發(fā)揮增材制造易構(gòu)形、易自動(dòng)化控制、成形效率高、材料利用率高的優(yōu)勢(shì)，又可以利用切削加工成形精度高、表面質(zhì)量好的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)金屬零件高效、高精、高性能成形制造。

1994年，MERZ等[7]將熔融沉積成形與數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行集成，首次實(shí)現(xiàn)了增材、減材制造技術(shù)復(fù)合，成功制造了用于智能制造系統(tǒng)的308不銹鋼構(gòu)件，制件成形精度和表面質(zhì)量大幅度提高。隨后國(guó)內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)將不同原理的增材制造技術(shù)與銑削加工技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，開展了從工藝設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)到設(shè)備研發(fā)等多方面的研究工作，成功開發(fā)了商品化的增減材復(fù)合式制造系統(tǒng)[8-14]。國(guó)外以德國(guó)德馬吉開發(fā)的 LASERTEC65-3D復(fù)合加工中心(圖1a)為代表，國(guó)內(nèi)以北京機(jī)電院機(jī)床有限公司開發(fā)的XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床為代表(圖1b)，采用增減材復(fù)合式制造系統(tǒng)成功試制了各類金屬零部件(圖2)，零件成形精度和表面質(zhì)量均得到大幅提高。

(b)北京機(jī)電院XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床圖1 增減材復(fù)合加工機(jī)床Fig.1 Additive and subtractive hybrid machine tools

圖2 德馬吉LASERTEC65-3D加工的各類金屬零件Fig.2 Various metal parts machined by Demagi LASERTEC 65-3D

增材、減材制造復(fù)合的形式有交叉協(xié)同式和工序分離式兩種。對(duì)于交叉協(xié)同式，增材、減材交替進(jìn)行，能有效減小成形過(guò)程中累積的誤差，有利于提高零件的成形精度[11]，但熱態(tài)下加工，刀具存在軟化傾向，導(dǎo)致磨損加劇，壽命縮短。同時(shí)，對(duì)于成形精度要求較高的零件，熱態(tài)下進(jìn)行切削加工，動(dòng)態(tài)熱力耦合過(guò)程中，工件存在動(dòng)態(tài)變形，需通過(guò)后續(xù)精加工才能保證零件最終成形精度。工序分離式則是在增材近凈成形的毛坯上進(jìn)行小余量的切削加工，以得到滿足精度要求的制件。因沉積過(guò)程熱積累較大，故冷卻至穩(wěn)態(tài)耗時(shí)長(zhǎng)，整體成形效率較低。但冷態(tài)下切削加工，一次性成形精度較高。圖3所示為等離子沉積與銑削復(fù)合成形的金屬花瓶[14]，增材、減材協(xié)同交叉，成形制件表面粗造度可達(dá)2.32 μm，成形精度較高；圖4所示為選擇性激光熔化(SLM)與銑削復(fù)合成形的工業(yè)模具[13]，增材、減材協(xié)同交叉，成形模具幾何尺寸精度和表面質(zhì)量較好，相對(duì)密度高達(dá)99.2%；圖5所示為電弧增材(WAAM)與銑削復(fù)合成形的工業(yè)模具[11]，增材、減材工序分離，先通過(guò)增材獲得近凈成形的毛胚，后經(jīng)小余量的銑削加工達(dá)到零件最終成形精度，相比于傳統(tǒng)數(shù)控加工，時(shí)間縮短42%，成本降低28%。

圖3 等離子沉積與銑削復(fù)合成形的金屬花瓶[14]Fig.3 Metal vase formed by plasma deposition and milling[14]

圖4 SLM與銑削復(fù)合成形的工業(yè)模具[13]Fig.4 Industrial die by SLM and milling hybrid forming [13]

圖5 WAAM與銑削復(fù)合成形的工業(yè)模具[11]Fig.5 Industrial die by WAAM and milling hybrid forming[11]

2.2 關(guān)鍵問(wèn)題

關(guān)于增減材復(fù)合制造技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，需重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：①不同增材及銑削復(fù)合工藝下，增材層顯觀組織、宏觀形性多尺度演化規(guī)律；②增材、減材復(fù)合過(guò)程中顯觀組織及宏觀形性的協(xié)同調(diào)控；③增材、減材過(guò)程中，動(dòng)態(tài)變形影響下制件成形精度和表面質(zhì)量的控制；④不同切削介入時(shí)機(jī)、頻率下制件的成形效率和成形精度的平衡；⑤無(wú)冷卻液，高溫、高殘余應(yīng)力制造過(guò)程中刀具的軟化、黏連、磨損和延壽。

3 增等材復(fù)合制造技術(shù)

3.1 研究現(xiàn)狀

增減材復(fù)合制造能夠有效提高制件成形精度和表面質(zhì)量，但對(duì)制件顯觀組織和宏觀性能的調(diào)控效果并不顯著?；谲堉?、鍛造、噴丸技術(shù)的增等材復(fù)合制造技術(shù)，在增材過(guò)程中或后處理階段，通過(guò)引入機(jī)械力能場(chǎng)作用于增材層，植入一定深度的塑性變形，改善增材層晶粒形態(tài)、顯微組織和應(yīng)力狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)制件宏觀力學(xué)性能的有效控制。

與軋制結(jié)合的增等材復(fù)合制造是研究最廣泛的復(fù)合式增材制造技術(shù)。軋制能產(chǎn)生大塑性變形，使增材層內(nèi)部缺陷被焊合，獲得組織致密、晶粒細(xì)化的增材組織，且增材層表面質(zhì)量較高，后續(xù)加工余量較小?，F(xiàn)階段存在兩種工藝方法：一是軋制與增材交叉協(xié)同的層間冷軋；二是軋制對(duì)增材同步跟隨的隨焊熱軋。兩種工藝方法當(dāng)前均處于實(shí)驗(yàn)研究階段，相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備均由增材部分和具有特征功能的軋制部分組成，工作時(shí)需要大型壓力設(shè)備(多為氣壓或液壓設(shè)備)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)十千牛的恒定軋制力[15]，促使增材層發(fā)生連續(xù)均勻的塑性變形。

文獻(xiàn)[16-17]采用層間冷軋工藝(原理如圖6所示)，分別對(duì)低碳鋼、純鉭增材制件進(jìn)行逐層軋制處理，通過(guò)層間冷軋?jiān)诔练e層上形成了一層具有一定深度的塑性變形層，變形層在后續(xù)沉積層反復(fù)熱循環(huán)作用下發(fā)生再結(jié)晶，沉積層晶粒發(fā)生細(xì)化，得到了隨機(jī)織構(gòu)的各向同性材料組織(圖7)；文獻(xiàn)[18]開發(fā)了一種新型異形軋輥(圖8)，該軋輥對(duì)具有寬壁和交叉特征的增材層晶粒細(xì)化效果顯著；文獻(xiàn)[19-22]對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金開展了類似的研究，除了上述結(jié)論之外，還發(fā)現(xiàn)低塑性應(yīng)變下β晶組織細(xì)化和織構(gòu)產(chǎn)生的原因可能是，變形層在快速重復(fù)加熱時(shí)隨β晶的長(zhǎng)大產(chǎn)生了退火孿晶，如圖9所示。

圖6 層間冷軋工藝原理圖[16]Fig.6 Schematic diagram of interlayer cold rolling process[16]

(b)層間冷軋工藝 圖7 沉積態(tài)與層間冷軋工藝晶粒形態(tài)及取向[17]Fig.7 Grain morphologies of as-deposited and interlayer cold rolling[17]

(a)薄壁用軋輥 (b)寬壁和交叉特征用軋輥圖8 新型異形軋輥[18]Fig.8 New profiled roller[18]

圖9 Ti-6Al-4V β晶的長(zhǎng)大產(chǎn)生退火孿晶界[19]Fig.9 Growth of Ti-6Al-4V β crystal producing annealing twin boundaries[19]

文獻(xiàn)[23-25]采用層間冷軋工藝處理鋁合金增材制件，發(fā)現(xiàn)層間冷軋工藝可使增材層內(nèi)部微小氣孔發(fā)生閉合，組織更加致密，強(qiáng)度大幅提高，而塑性卻未受損。層間冷軋對(duì)增材層的強(qiáng)化機(jī)制，除了形變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化之外，合金元素還在塑性變形驅(qū)動(dòng)下發(fā)生固溶強(qiáng)化。文獻(xiàn)[26]也發(fā)現(xiàn)軋制塑性變形能促進(jìn)合金元素固溶于增材基體，基體隨時(shí)間發(fā)生自然時(shí)效使得強(qiáng)度和硬度大幅提高。除此之外，還發(fā)現(xiàn)側(cè)向冷軋對(duì)鋁合金增材層殘余應(yīng)力的控制效果較垂向冷軋更好，能夠有效地控制殘余變形。

ZHANG等[27-28]開發(fā)了一種基于新型微軋輥的同步跟隨復(fù)合增材制造技術(shù)(HDMR)，微軋輥跟隨熔池對(duì)增材層進(jìn)行同步熱軋(圖10)，軋制介入的溫度可通過(guò)調(diào)節(jié)軋輥對(duì)焊槍的跟隨距離來(lái)改變，通過(guò)在奧氏體未再結(jié)晶溫度區(qū)控軋?zhí)岣吡瞬牧辖Y(jié)晶度，獲得了平均晶粒尺寸為7 μm的細(xì)晶組織，制件各力學(xué)指標(biāo)大幅提高(圖11)。

圖10 HDMR原理圖[27]Fig.10 Schematic diagram of HDMR[27]

圖11 隨焊熱軋工藝下增材層各向力學(xué)性能[28]Fig.11 Anisotropic mechanical properties of additive layers with welding with hot rolling[28]

與鍛造技術(shù)結(jié)合的增等材復(fù)合制造將效率高、組織性能優(yōu)異的鍛造成形與高柔性的增材制造進(jìn)行復(fù)合，發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高性能制件的近凈成形。當(dāng)前存在兩種復(fù)合類型，即與模鍛成形整體鍛造復(fù)合型和與機(jī)械錘擊局部鍛造復(fù)合型。

與模鍛成形整體鍛造結(jié)合的增等材復(fù)合制造多為工序分離式。MEINERS等[29]在預(yù)成形的鍛件上通過(guò)粉末激光金屬沉積(P-LMD)和電弧增材(WAAM)兩種AM技術(shù)成功添加了新的結(jié)構(gòu)特征(圖12)，既保證了制造效率又提高了制造柔性，對(duì)比傳統(tǒng)鍛造，材料利用率提高了50%。

圖12 預(yù)成形T形截面鍛件通過(guò)P-LMD和WAAM增加特征加強(qiáng)筋[29]Fig.12 Added feature stiffeners of pre-formed T-section forging by P-LMD and WAAM[29]

BAMBACH等[30]在Ti-6Al-4V預(yù)成形的鍛件上進(jìn)行WAAM制造，對(duì)WAAM制件進(jìn)行熱鍛成形，分別研究了兩種復(fù)合制造工藝下顯觀組織、力學(xué)性能演化規(guī)律，結(jié)果表明增材區(qū)與鍛造區(qū)界面冶金結(jié)合良好，鍵合區(qū)拉伸性能可達(dá)到鍛造要求，延展性略低于鍛件，但較鑄件要高；MA等[31]對(duì)Ti-6Al-4V鍛造和增材鍵合區(qū)顯觀組織和力學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，鍵合區(qū)因形成二次強(qiáng)化相而整體強(qiáng)度較基體要好，該結(jié)論與文獻(xiàn)[30]結(jié)論一致。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)對(duì)WAAM制件進(jìn)行熱鍛和后續(xù)熱處理后，制件強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)均出現(xiàn)了較大程度的提高，整體性能與鍛件相當(dāng)(圖13)。

圖13 WAAM制件熱鍛+熱處理工藝與沉積態(tài)、傳統(tǒng)鍛件力學(xué)性能對(duì)比[30]Fig.13 Mechanical properties of WAAM parts by hot forging+heat treatment，deposited state and traditional forgings[30]

文獻(xiàn)[32-33]研究了不同激光增材工藝和熱鍛成形工藝對(duì)不銹鋼成形件顯觀組織和力學(xué)性能的影響，增材后進(jìn)行高溫?zé)徨?，制件孔隙率明顯降低，致密度可達(dá)99%以上，晶粒尺寸大幅減小，晶粒細(xì)化程度超7倍(圖14)，增材層力學(xué)性能顯著提高。

(a)沉積態(tài) (b)900 ℃變形量5% (c)1040 ℃變形量5% (d)900 ℃變形量30% (e)1040 ℃變形量30%

與機(jī)械錘擊局部鍛造結(jié)合的增等材復(fù)合制造，當(dāng)前研究報(bào)道較少，均采用交叉協(xié)同的方式與高效、低廉的電弧增材制造進(jìn)行復(fù)合。錘擊錘頭尺寸較小，與工件的接觸方式為點(diǎn)接觸或微型球面接觸，相比于軋制工藝的線接觸或柱面接觸，具有更高的自由度，加工時(shí)受工件形狀的限制較小。另外，錘擊對(duì)工件的作用為非連續(xù)性多次間斷沖擊，作用力為瞬間沖擊力，作用時(shí)間極短，瞬間接觸力較大，通過(guò)多道次小塑性變形積累，最終可使增材層產(chǎn)生較大的塑性變形，無(wú)需大型設(shè)備提供高達(dá)數(shù)十千牛的持續(xù)靜壓力，能夠和承載能力有限的工業(yè)機(jī)器人結(jié)合獲得更高的加工自由度，可滿足復(fù)雜形狀零件的加工，但現(xiàn)階段錘擊變形量難以實(shí)現(xiàn)精確控制，成形精度較軋制復(fù)合式增材制造要低。

H?NNIGE等[15，34-35]采用六自由度ABB工業(yè)機(jī)器人運(yùn)載高精度氣動(dòng)錘擊設(shè)備構(gòu)成其錘擊組件，采用層間冷錘工藝在Ti-6Al-4V增材層表層植入微量塑性變形，伴隨后續(xù)沉積層熱循環(huán)獲得了大于塑性變形深度的細(xì)晶區(qū)，力學(xué)性能有所提高(圖15)；XIONG等[36]采用相似的方式，利用多自由度安川機(jī)器人手臂運(yùn)載改良的電動(dòng)錘擊裝置(圖16)，通過(guò)對(duì)兩機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同控制，控制錘頭與焊槍的工作位姿，可實(shí)現(xiàn)微形錘頭對(duì)焊槍的同步近距離跟隨，在接近材料再結(jié)晶溫度時(shí)進(jìn)行隨動(dòng)低頻錘擊，使增材層表層發(fā)生一定程度的塑性變形，產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，在增材層表層形成一定比例的亞結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸減小，增材層整體強(qiáng)度得到了較大程度的提高；FANG等[37]采用三自由度運(yùn)載機(jī)構(gòu)運(yùn)載氣動(dòng)錘擊裝置(圖17)，對(duì)2319鋁合金增材層在焊后冷卻至50 ℃時(shí)進(jìn)行層間錘擊，增材層晶粒細(xì)化明顯，相較于沉積態(tài)，晶粒尺寸減小至其1/10(圖18)，伴隨著高密度的位錯(cuò)，增材層力學(xué)性能大幅度提高；權(quán)國(guó)政等[38]采用的錘擊組件由大型龍門機(jī)器人(原理與文獻(xiàn)[37]類似)運(yùn)載氣動(dòng)錘擊設(shè)備構(gòu)成，該運(yùn)載機(jī)器人體形大，承載能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，但也存在著運(yùn)動(dòng)自由度較少，易與焊槍發(fā)生近距離干涉等問(wèn)題。所采用的錘擊設(shè)備為工程用氣鎬，成本低廉，沖擊力大，但錘擊運(yùn)動(dòng)難以準(zhǔn)確控制，成形精度較低。該研究通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式發(fā)現(xiàn)，焊后錘擊對(duì)消除焊接內(nèi)應(yīng)力效果顯著。

圖15 層間冷錘工藝與沉積態(tài)力學(xué)性能對(duì)比[34]Fig.15 Mechanical properties of interlayer cold hammering and deposition state[34]

圖16 機(jī)器人手臂運(yùn)載電動(dòng)錘擊裝置[36]Fig.16 Yaskawa robot carriying the electric hammering device[36]

圖17 三自由度機(jī)械錘擊組件[37]Fig.17 3-DOF mechanical hammering component[37]

(a)沉積態(tài)

(b)層間冷錘工藝圖18 沉積態(tài)與層間冷錘工藝晶粒形態(tài)[37]Fig.18 Grain morphologies of as-deposited and inter-layer cold hammering[37]

與噴丸結(jié)合的增等材復(fù)合制造通過(guò)在增材層表層植入微量塑性變形，實(shí)現(xiàn)增材層整體性能的提高，多為工序分離式復(fù)合，即以后處理的方式對(duì)增材制件進(jìn)行強(qiáng)化處理。噴丸類型有機(jī)械噴丸(SP)、超聲噴丸(USP)和激光噴丸(LSP)三類，前兩者為機(jī)械接觸式強(qiáng)化，通過(guò)高速實(shí)體丸粒沖擊制件表面實(shí)現(xiàn)制件表面強(qiáng)化，后者LSP為非接觸式強(qiáng)化，無(wú)實(shí)體丸粒產(chǎn)生，通過(guò)高能激光作用金屬表面實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化，可將LSP列為特種能場(chǎng)輔助增材制造。

ALMANGOUR等[39]在增材后處理階段，通過(guò)機(jī)械噴丸對(duì)激光增材不銹鋼制件進(jìn)行處理，通過(guò)在制件表面植入塑性變形，促使殘余奧氏體轉(zhuǎn)化成馬氏體，并誘導(dǎo)表層發(fā)生晶粒細(xì)化(圖19)，制件表面粗糙度降低，硬度、屈服強(qiáng)度、耐磨性等力學(xué)性能指標(biāo)得到較大程度提高；文獻(xiàn)[40-41]采用三向超聲噴丸對(duì)鈦合金、鋁合金增材焊縫進(jìn)行強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)超聲噴丸對(duì)焊縫表面微觀形貌的影響較小，焊縫表面未發(fā)生明顯的塑性變形，但表層晶粒卻發(fā)生了較大程度的細(xì)化(圖20)，增材層孔隙率降低，材料的強(qiáng)度也得到相應(yīng)增加，各向異性減弱，如圖21所示。

(a)沉積態(tài)圖像質(zhì)量映射(b)機(jī)械噴丸圖像質(zhì)量映射

(c)沉積態(tài)晶粒取向圖 (d)機(jī)械噴丸晶粒取向圖圖19 機(jī)械噴丸工藝與沉積態(tài)晶粒形態(tài)對(duì)比[39]Fig.19 Grain morphologies of mechanical shot peening and deposited state[39]

(a)沉積態(tài) (b)三向超聲噴丸圖20 沉積態(tài)與三向超聲噴丸工藝晶粒形態(tài)[40]Fig.20 Grain morphologies of as-deposited and 3D ultrasonic shot peening[40]

圖21 超聲噴丸工藝和沉積態(tài)力學(xué)性能對(duì)比[40]Fig.21 Mechanical properties of ultrasonic shot peening and deposited state[40]

3.2 關(guān)鍵問(wèn)題

關(guān)于增等材復(fù)合制造技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，需重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：①外加力能場(chǎng)下，塑性變形程度、變形溫度、變形速率、介入頻率等與增材制造形成的復(fù)合工藝參數(shù)對(duì)增材層顯觀組織、宏觀力學(xué)性能的多尺度演化規(guī)律；②外加力能場(chǎng)下，增材制件顯觀組織和宏觀形性的主動(dòng)控制；③外加力能場(chǎng)下，局部變形區(qū)與后續(xù)沉積層結(jié)合區(qū)界面的控制及強(qiáng)化；④外加力能場(chǎng)下，增材制造過(guò)程中動(dòng)態(tài)變形的控制及修正；⑤外加力能場(chǎng)不同介入時(shí)機(jī)、頻率下，制件成形效率與成形質(zhì)量的平衡；⑥外部力能場(chǎng)輔助設(shè)備與增材設(shè)備干涉現(xiàn)象的控制；⑦外部力能場(chǎng)類型、力能參數(shù)、能耗、成本與零件成形精度、質(zhì)量的平衡。

4 特種能場(chǎng)輔助增材制造技術(shù)

4.1 研究現(xiàn)狀

前兩類復(fù)合式增材制造技術(shù)所對(duì)應(yīng)的外加輔助制造均為接觸式制造方法，存在設(shè)備干涉及效率等問(wèn)題。特種能場(chǎng)輔助增材制造技術(shù)通過(guò)超聲、電磁、激光等非接觸式特殊能量源及其特征效應(yīng)，作用于增材制造全過(guò)程，改善增材層顯觀組織，提高制件宏觀形性，是當(dāng)前正迅速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)。

超聲、電磁類特種能場(chǎng)輔助增材制造分別通過(guò)高頻超聲波、電磁效應(yīng)作用于增材熔池的形成和凝固過(guò)程，改變?nèi)鄢匦纬傻侥踢^(guò)程中熔池流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、結(jié)晶形核、固態(tài)相變規(guī)律，進(jìn)而改善增材層晶粒形態(tài)、顯微組織、應(yīng)力狀態(tài)和宏觀形性，可歸為同步跟隨式復(fù)合增材制造技術(shù)。

文獻(xiàn)[42-43]采用超聲激振設(shè)備作用于增材基板(圖22)，通過(guò)高頻超聲波在金屬基板內(nèi)的傳播實(shí)現(xiàn)對(duì)增材熔池的實(shí)時(shí)作用，研究了超聲振動(dòng)對(duì)鎳基合金激光增材組織和力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明超聲振動(dòng)通過(guò)對(duì)增材熔池的空化和聲流效應(yīng)，可促進(jìn)增材組織均勻化，減少第二相的析出，改變析出相形態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)增材組織晶粒細(xì)化(圖23)，進(jìn)而改善增材制件的力學(xué)性能。文獻(xiàn)[44]通過(guò)ABB機(jī)器人運(yùn)載超聲激振設(shè)備近距離跟隨焊槍，實(shí)現(xiàn)高頻超聲振動(dòng)對(duì)Ti-6Al-4V增材熔池的同步跟隨作用，研究表明高強(qiáng)度超聲波通過(guò)聲空化、聲流效應(yīng)在金屬凝固過(guò)程中可有效阻斷柱狀晶體外延生長(zhǎng)，削弱織構(gòu)強(qiáng)度，細(xì)化柱狀晶顯觀組織，進(jìn)而改善增材制件力學(xué)性能。文獻(xiàn)[45-47]將自主設(shè)計(jì)的電磁線圈集成于焊槍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)增材熔池的同步作用，研究了外加縱橫向穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)對(duì)WAAM制件顯觀組織和宏觀形性的影響，結(jié)果表明：外加縱向穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)通過(guò)在熔池中產(chǎn)生切向電磁力，推動(dòng)熔池向邊緣流動(dòng)，能夠減小熔積層高寬比，形成平緩的熔積層形貌，有利于多道搭接熔積提高制件成形精度和表面質(zhì)量；外加橫向磁場(chǎng)能夠降低熔池凝固過(guò)程中枝晶前沿溫度梯度和溶質(zhì)濃度，增加枝晶前沿的成分過(guò)冷，使靠近熔池中心的枝晶前端生長(zhǎng)加速并細(xì)化晶粒，改善增材制件顯觀組織和宏觀力學(xué)性能。

圖22 超聲振動(dòng)組件作用于基板[43]Fig.22 Ultrasonic vibration component acting on substrate[43]

圖23 超聲振動(dòng)組件跟隨焊槍作用于沉積層[44]Fig.23 Ultrasonic vibration component following the welding torch acting on deposited layer[44]

激光類特種能場(chǎng)輔助增材制造有激光沖擊輔助、選擇性激光燒蝕輔助、選擇性激光重熔輔助三種方法。

激光沖擊輔助增材制造在增材后處理階段，通過(guò)高功率密度、短脈沖的激光作用于制件表面涂覆的能量吸收涂層，誘導(dǎo)制件表面產(chǎn)生高幅沖擊波以對(duì)表層進(jìn)行高能沖擊，在制件表層植入一定深度的塑性變形，改善表層晶粒形態(tài)、顯微組織和應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而改善制件整體宏觀力學(xué)性能，為工序分離式復(fù)合制造。激光沖擊對(duì)增材層的作用原理與噴丸類似，也被稱為激光噴丸。

KALENTICS等[48]研究了新型3D激光沖擊方法(激光沖擊面與激光熔化面不同)對(duì)選擇性激光熔化(SLM)316L不銹鋼制件疲勞性能的影響，結(jié)果表明3D激光沖擊通過(guò)在制件表層植入殘余壓應(yīng)力，能夠提高制件表面顯微硬度，降低制件內(nèi)部孔隙率(圖24)，阻礙疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展，大幅度延長(zhǎng)了制件的疲勞壽命。HACKEL 等[49]通過(guò)類似的研究發(fā)現(xiàn)激光沖擊較機(jī)械噴丸在制件表層產(chǎn)生的應(yīng)力層更深，對(duì)增材制件扭曲變形有一定的校正作用。

(a)SLM (b)2D-LSP (c)3D-LSP圖24 SLM、2D-LSP和3D-LSP內(nèi)部氣孔形態(tài)[48]Fig.24 Internal stomatal morphologies of SLM，2D-LSP and 3D-LSP[48]

選擇性激光燒蝕輔助增材制造通過(guò)高能激光對(duì)材料的蒸發(fā)作用，對(duì)增材層進(jìn)行表面減材加工，提高增材層表面質(zhì)量，作用效果與切削加工類似。選擇性激光重熔輔助增材制造利用低能激光對(duì)增材層的重熔作用，降低增材層殘余孔隙率、表面粗造度，提高增材層致密度和表面質(zhì)量。兩者作用原理類似，既可作用于逐層增材之間，也可作用于增材后處理階段，為兼具交叉協(xié)同和工序分離兩種特征的復(fù)合式增材制造技術(shù)。

YASA等[50-51]分別研究了選擇性激光燒蝕和選擇性激光重熔對(duì)SLM增材制造的影響，結(jié)果表明，選擇性激光燒蝕對(duì)制件表面粗糙度的改善效果不及后者，但效率較高，可伴隨解決SLM增材層邊緣階梯效應(yīng)，同時(shí)，選擇性激光燒蝕還具有對(duì)零件微細(xì)特征的加工能力，能夠加工尺寸范圍在50～100 μm的微特征，而選擇性激光重熔對(duì)增材層殘余孔隙率、致密度、殘余應(yīng)力有明顯的改善作用，但效率較低，時(shí)間成本較高。

4.2 關(guān)鍵問(wèn)題

關(guān)于特種能場(chǎng)輔助增材制造技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，需重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：①超聲、電磁類作用于增材熔池的形成和凝固過(guò)程中的特種能場(chǎng)，對(duì)顯觀組織、宏觀形性多尺度作用機(jī)制和演化規(guī)律；②激光類作用于沉積層的特種能場(chǎng)下，激光功率、掃描速率、光斑尺寸等與增材制造形成的復(fù)合工藝參數(shù)對(duì)增材層顯觀組織、宏觀力學(xué)性能的多尺度演化規(guī)律；③特種能場(chǎng)下，增材層顯觀組織和宏觀形性的定向控制；④特種能場(chǎng)下，增材制造過(guò)程中動(dòng)態(tài)變形的控制及修正；⑤激光類輔助能場(chǎng)不同介入時(shí)機(jī)、頻率下，制件成形效率與成形質(zhì)量的平衡；⑥超聲、電磁類特種能場(chǎng)如何有效施加。

5 復(fù)合式增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

(1)向多制造技術(shù)復(fù)合式增材制造發(fā)展。減材制造在制件成形精度和表面質(zhì)量控制方面表現(xiàn)優(yōu)異，等材制造在制件顯觀組織和宏觀性能控制方面效果顯著，特種能場(chǎng)可改善增材層顯觀組織和宏觀形性，具有非接觸式制造特點(diǎn)。增材制造與單一減材、等材、特種能場(chǎng)輔助制造進(jìn)行復(fù)合，難以實(shí)現(xiàn)制件形性一體化有效調(diào)控。將增材、等材、減材以及特種能場(chǎng)輔助制造多制造技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，形成新型復(fù)合式增材制造技術(shù)，保留增材制造快速、柔性的制造特征，減材制造高精成形的制造特征，等材制造組織性能優(yōu)異的制造特征，以及特種能場(chǎng)非接觸式制造特征，將成為復(fù)合式增材制造技術(shù)的未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

(2)向在線檢測(cè)、閉環(huán)控制發(fā)展。增材制造形性問(wèn)題嚴(yán)重，復(fù)合式增材制造對(duì)制件的形性調(diào)控為動(dòng)態(tài)調(diào)控過(guò)程，為保證制件形性調(diào)控的質(zhì)量和精度，復(fù)合式增材制造系統(tǒng)需引入先進(jìn)的檢測(cè)、測(cè)量及控制技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、反饋制造過(guò)程，并對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)控制，動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)增材制造形性的有效控制。

(3)向一體化、智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造發(fā)展。當(dāng)前復(fù)合式增材制造技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，除增減材復(fù)合制造外，未見商品化的復(fù)合式增材制造裝備，未來(lái)隨著基礎(chǔ)研究及支撐技術(shù)不斷發(fā)展，高度集成的商業(yè)設(shè)備將逐漸被推出，結(jié)合先進(jìn)材料技術(shù)、CAD/CAPP/CAM技術(shù)、智能控制技術(shù)以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)，將形成從材料、功能、結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)到加工制造的一體化、智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造流程。

(4)向大型構(gòu)件的低成本、高效率、高質(zhì)量制造發(fā)展。增材制造具有快速、柔性、綠色的先進(jìn)制造特點(diǎn)，增材制造與多制造技術(shù)結(jié)合形成的復(fù)合式增材制造，能夠較好地解決增材制件形性難控的問(wèn)題。隨著復(fù)合式增材制造技術(shù)迭代發(fā)展，將形成一種同時(shí)具有快速、柔性、綠色、低成本、高質(zhì)量等制造優(yōu)點(diǎn)的新型先進(jìn)制造技術(shù)，在國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的航空、核電、石化等領(lǐng)域超大型構(gòu)件的制造中具有巨大的潛力。