鋁合金電弧3D打印的孔隙研究

供稿人 張海天、魯中良 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室


電弧3D打印（WAAM）屬于近乎凈成形的加工技術(shù)，被歸類為直接能量沉積(DED)工藝之一。該工藝的沉積速率較高，因此主要用于成本效益較高的大型零部件的生產(chǎn)。然而，由于缺乏對工藝的了解，該工藝在鋁合金中的應(yīng)用并不廣泛。將鋁材進(jìn)行電弧3D打印時，最大挑戰(zhàn)是會出現(xiàn)諸如裂紋、表面氧化和孔隙率較高等異常現(xiàn)象。

德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)對的托拜厄斯團(tuán)隊研究了AW4043/AlSi5(wt%)電弧3D打印中出現(xiàn)的孔隙，并開發(fā)了后處理監(jiān)測方法來監(jiān)測并降低鋁材電弧3D打印后的孔隙率。采用攝像機(jī)成像和計算機(jī)視覺方法監(jiān)測零件內(nèi)的孔隙率，運(yùn)用微觀結(jié)構(gòu)分析和計算流體動力學(xué)模擬的方法來得出結(jié)論。

可以得出以下結(jié)論：

1.電弧3D打印的成品中發(fā)現(xiàn)了因工藝產(chǎn)生的氣孔，它們很可能是由保護(hù)氣體與周圍空氣混合造成的，因?yàn)樵谶@些區(qū)域的孔隙中氧化鋁的含量明顯較高。

2.保護(hù)氣體流量過大，速度過快和動態(tài)氣體壓力過高會導(dǎo)致孔隙增多，推測是紊流混合增加所導(dǎo)致的。

3.鋁件氣孔數(shù)量與保護(hù)氣體流速有關(guān)，因?yàn)闅怏w流速越高，熔池的對流冷卻越快，凝固速度越快，會阻止氣體夾雜物的逸出。而每一沉積層表面的空洞數(shù)量與電弧3D打印制造的鋁零件中氣孔的相對數(shù)量成反比。表面較多的空腔與較低數(shù)量的氣孔有關(guān)，因?yàn)榭涨皇菑娜垠w池中逸出的氣體夾雜物帶來的。隨著孔洞覆蓋面積的增加，CMT模式下孔洞相對數(shù)量呈線性減少，而CMT+P模式下孔洞相對數(shù)量呈非線性減少。

4.對于鋁合金電弧3D打印，孔洞覆蓋面積百分比監(jiān)測方法是監(jiān)測零件孔隙形成的一種合適的方法。可以在此基礎(chǔ)上建立現(xiàn)場監(jiān)測的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以保證成品質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：

    DT,DR,DP,etal.鋁合金線材電弧增材制造中的孔隙率[J]. 增材制造，2021。