北理工：电弧增材制造钛合金成形工艺与过程控制

| 3DScienceValley · 2023/06/19

以下文章来源于稀有金属RareMetals ，作者鲁涛

电弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）技术被认为是制造大型钛合金构件最具前景的增材制造技术之一。然而，成形过程稳定性差、成形件表面质量及尺寸精度低是制约WAAM钛合金构件推广运用的主要瓶颈，对WAAM成形过程进行实时监测及反馈控制是解决这一难题的重要研究方向，也是当前WAAM钛合金研究的热点之一。

对于WAAM钛合金的高效稳定成形而言，成形机制的研究是基础，工艺及装备的优化是保证，成形过程的监测与控制是关键。《稀有金属》期刊中发表的《电弧增材制造钛合金成形工艺与过程控制》一文，简要介绍了WAAM钛合金的成形工艺、装备及其运用，指出了成形件组织及力学性能的特点及其调控方法。通过对WAAM钛合金常见缺陷及其形成机制的分析，指出了WAAM装备设计与工艺优化的方向。总结了WAAM成形过程中基于视觉信号、电信号、声信号及多信号融合的在线监测方法，综述了成形过程控制方法及控制系统的发展。最后，对全文进行了总结，展望了未来WAAM钛合金成形与控制领域值得深入研究的方向。本期谷.专栏将分享该文的要点。

图文速览

图1 3种WAAM常用热源示意图
Fig.1 Schematic diagram of three commonly used heat sources in WAAM（a）GMAW；（b）GTAW；（c）PAW

图2 北京理工大学自主研发的WAAM成形装备及其示意图
Fig.2 WAAM equipment developed by Beijing Institute of Technology（a，a1）Single-wire arc additive manufacturing；（b，b1） Multi-wire arc additive manufacturing；（c，c1）Multi-wire and multiarc additive manufacturing

图3 典型WAAM钛合金构件
Fig.3 Typical Ti alloy components fabricated by WAAM（a）Large components used in fields of aerospace， national defense and nuclear energy；（b）I-beam structure；（c） Balance shaft of armored car；（d）Binding bearing of bundled rocket；（e）Load-bearing frame

图4 电弧增材制造无支撑结构样件
Fig.4 Unsupported structures fabricated by WAAM（a）Typical components；（b）Ti alloy lattice sandwich structure with large size

图5 WAAM钛合金成形件典型扫描电子显微镜（SEM）图像
Fig.5 SEM images of WAAM titanium alloys（a）αGB and αWGB；（b）Basketweave structure

图6 αGB，αWGB和网篮状组织的成核及生长示意图
Fig.6 Schematic of nucleation and growth of αGB，αWGB and basketweave structure

图7 WAAM含硼钛合金组织与断口形貌
Fig.7 Boron modified Ti alloy fabricated by WAAM（a）β grain morphology（EBSD image）；（b，c）Longitudinal sections near fracture surface of tensile specimen observed under different magnifications（SEM images）

图8 钛合金成形件孔隙缺陷投影及其分布直方图
Fig.8 All detected pores of two Ti alloy parts projected onto a single plane（a）Low-density part；（b）High-density part

图9 商业化的WAAM成形装备
Fig.9 Commercialized WAAM equipment（a）Developed by GEFERTEC GmbH；（b） Developed by AML3D

图10 基于多传感器数据融合的WAAM控制系统示意图
Fig.10 Schematic of multi-sensor data fusion-based monitoring and control system of WAAM

全文小结

WAAM技术是一种极具发展潜力的先进增材制造技术，为钛合金构件的制造提供了一条新的技术途径。为推进WAAM钛合金构件的快速发展及工程推广运用，应该继续深入研究与“工艺-组织-性能”关系相关的基础科学问题，如成形过程中所涉及的非平衡凝固行为和内应力演化规律等材料基础问题。同时，基于对“工艺-组织-性能”关系的先验知识不断研发及改进成形装备，如研发针对WAAM钛合金成形特点的专用热源系统，一方面，可以通过增加辅助热源的方式进一步提高成形过程的稳定性；另一方面，采用多热源同步工作的“多弧并行”增材制造方法突破单一热源成形的效率极限，充分发挥WAAM在大型钛合金构件成形中的效率优势。有了可靠的装备作为保障，可以进一步发展智能化的在线监测及集成控制系统，提升 WAAM钛合金成形的自动化水平、智能化水平。机器学习算法已在WAAM成形过程中得到初步运用，要进一步发挥其在缺陷特征识别以及工艺决策上的优势，实现对WAAM钛合金构件生产制造全过程的监测与控制。

论文引用信息：

鲁涛，敬石开，聂靖轩，徐田秋，李昌远，刘长猛. 电弧增材制造钛合金成形工艺与过程控制[J]. 稀有金属，2022，47(5): 618-632.

Lu Tao，Jing Shikai，Nie Jingxuan，Xu Tianqiu，Li Changyuan，Liu Changmeng. Wire Arc Additive Manufacturing of Titanium Alloy：Forming Process and Process Control[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2022, 47(5): 618-632.