新型電弧增材制造技術(shù)實現(xiàn)沉積率突破10kg/h，晶粒減小,，力學(xué)性能提升

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

定向能量沉積（DED）的電弧增材（Wire-arc）用于以高沉積速率去沉積大型金屬構(gòu)件。為了縮短整體制造時間，進一步提高生產(chǎn)效率和效益,，需要更高的沉積速率,。然而，傳統(tǒng)的氣體金屬�,。℅MA）的電弧增材DED,，其特點是高能量輸入，通常會導(dǎo)致在相對較高的沉積速率下,，出現(xiàn)高度的重熔和再加熱問題,，從而降低工藝效率、損害機械性能,。

針對這一問題,，英國克蘭菲爾德大學(xué)（克大）焊接與增材制造中心Stewart William教授及其團隊在增材制造頂刊Additive Manufacturing上發(fā)表題目為A novel cold wire gas metal arc (CW-GMA) process for high productivity additive manufacturing的研究文章，提出了一種新型電弧增材DED工藝,，結(jié)合GMA和外部冷絲,，即冷絲氣體金屬弧（CW-GMA）,，實現(xiàn)高沉積速率和低材料重熔,。

論文研究了不同能量輸入水平下的最大沉積速率，最高沉積速率達到了14 kg/h,。使用該工藝制造了一個重達280 kg的工業(yè)尺寸的構(gòu)件,，沉積速率約10 kg/h，展示了該工藝在高生產(chǎn)應(yīng)用中的能力,。同時發(fā)現(xiàn),，由于添加冷絲，重熔現(xiàn)象顯著減少,。研究還開發(fā)了CW-GMA工藝的工作空間和幾何過程模型,，用于選擇準確參數(shù)、預(yù)測單道壁結(jié)構(gòu)的幾何形狀,。而且,，CW-GMA工藝中冷絲的添加降低了比能量密度，使晶粒尺寸和各向異性均減小,，提高了機械性能,，增強了強度并降低了各向異性。

圖1. 示意圖展示了基于冷絲氣體金屬�,。–W-GMA）的電弧增材（DED）系統(tǒng)的實驗設(shè)置

圖2. 示意圖展示了GMA火炬,、冷絲和基板的配置

圖3. 電源校準 (a) 電弧電流隨硬絲送絲速率（HWFS）變化的關(guān)系，(b) 電弧電壓隨硬絲送絲速率（HWFS）變化的關(guān)系,，(c) 輸出功率隨硬絲送絲速率（HWFS）變化的關(guān)系,，以及 (d) 輸出功率隨電弧電流變化的關(guān)系

圖4. 示意圖展示 (a) 珠焊寬度,、珠焊高度、珠焊橫截面積（A1）的定義,，以及基板的重熔區(qū)域（A2）的定義,；(b) 總壁寬度和有效壁寬度的定義

圖5. 示意圖展示 (a) 從兩個壁中提取用于拉伸測試和微觀結(jié)構(gòu)分析的樣品的位置，以及(b) 用于拉伸測試的樣品尺寸,。注意,，BD-建造方向，TD-橫向方向,，ND-法線方向

圖6. (a) 構(gòu)件的幾何形狀,，(b) 構(gòu)件的橫截面和沉積順序，(c) 構(gòu)件和沉積工具的設(shè)計,，以及 (d) 構(gòu)件和工具設(shè)計的橫截面

圖7. 在相同的硬絲送絲速率（HWFS）為8 m/min但不同的冷絲送絲速率（CWFS）下,，工藝穩(wěn)定性和珠焊外觀的比較：(a) 在CWFS為10 m/min時的沉積過程，(b) 在CWFS為12 m/min時的沉積過程,，(c) CWFS為10 m/min時的珠焊外觀,，以及(d) CWFS為12 m/min時的珠焊外觀，粉色箭頭表示移動方向

圖8. (a) 隨著硬絲送絲速率（HWFS）變化而實現(xiàn)的最大冷絲送絲速率（CWFS）,，(b) 隨著HWFS變化而實現(xiàn)的最大沉積速率,；(c) 在廣泛的電弧絲材DED過程中，對不同工藝條件下鋼材實現(xiàn)的最大沉積速率

圖9. 冷絲送絲速率（CWFS）對不同電弧電流水平下珠焊形狀的影響 (a) 珠焊寬度,，以及 (b) 珠焊高度

圖10. (a) 在相同的電弧電流（301 A）下使用不同冷絲送絲速率（CWFS）獲得的珠焊橫截面,，(b) 珠焊的稀釋度，以及 (c) 相應(yīng)珠焊的總?cè)廴诿娣e

圖11. 基于珠焊平板實驗的CW-GMA工藝的工作空間 (a) 硬絲送絲速率（HWSF） vs 冷絲送絲速率（CWFS）,，以及(b) 焊接速度（TS）vs 冷絲送絲速率（CWFS）

圖12. 基于多層單道壁的CW-GMA工藝的工作空間 (a) 硬絲送絲速率（HWSF） vs 冷絲送絲速率（CWFS）,，以及(b) 焊接速度（TS）vs 冷絲送絲速率（CWFS）

圖13. CW-GMA基礎(chǔ)電弧絲材DED多層單道壁的幾何過程模型 (a) 有效壁寬度，(b) 層高,，以及 (c) 表面波紋度

圖14. 標準GMA和CW-GMA工藝生產(chǎn)的樣品的拉伸性能 (a) 兩個工藝產(chǎn)生的兩種不同取向的四個典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線,，以及 (b) 每種條件下強度和延伸率的平均值。注意,，GMA_H和GMA_V分別表示標準GMA工藝產(chǎn)生的水平和垂直取向的樣品,，而CW-GMA_H和CW-GMA_V分別表示CW-GMA工藝產(chǎn)生的水平和垂直取向的樣品

圖15. 子鐵素體和重建的先驅(qū)奧氏體的EBSD反極圖方位圖，以及從BD-ND平面獲取的重建奧氏體相的反極圖和極圖 (a1-a4) GMA工藝樣品和 (b1-b4) CW-GMA工藝樣品,；對比 (c) 重建奧氏體晶粒尺寸分布和 (d) GMA和CW-GMA加工樣品之間的縱橫比

圖片

圖16. 構(gòu)件的沉積過程：(a),、(b) 和 (c) 顯示了第一層的沉積,；(d) 顯示了第1部分的沉積,，(e) 顯示了第2部分的沉積，以及 (f) 顯示了構(gòu)件的最終外觀
論文關(guān)鍵結(jié)論如下：
1. CW-GMA的DED最大沉積速率為14 kg/h,，這是所有單一電源的電弧增材DED工藝中最高的,。利用該工藝成功制造了一個質(zhì)量為280 kg的工業(yè)尺寸構(gòu)件,，其沉積速率接近10 kg/h，證明了使用該工藝建造具有高生產(chǎn)效率的大型工程結(jié)構(gòu)的可行性,。

2. 與標準GMA工藝相比,，在CW-GMA工藝中添加冷絲改變了珠焊的幾何形狀，并顯著減少了重熔和再加熱出現(xiàn)的次數(shù),。具體而言,，由于熔化效率的提高，珠焊寬度先增加,，然后由于冷絲吸收了熔池的能量,，珠焊寬度趨于穩(wěn)定。由于基板或預(yù)先沉積層吸收的能量減少,，隨著冷絲送絲速率（CWFS）的增加,，重熔不斷減少。

3. 基于單層和多層沉積實現(xiàn)了CW-GMA工藝的工作空間,。這可以用來指導(dǎo)工藝參數(shù)的選擇,，以避免該工藝中的任何缺陷。此外,，制造了多層單道壁的工藝模型,，可用于預(yù)測沉積壁的幾何特征，包括TWW,、EWW和LH,。

4. 對CW-GMA的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進行了檢測，并與標準GMA工藝進行了比較,。由于添加冷絲,，與標準GMA工藝相比，CW-GMA工藝中的比能量密度減小,，導(dǎo)致更小且更各向同性的晶粒,，從而使前者的拉伸強度更高，各向異性更小,。