航空装备电弧熔丝增材制造技术发展及路线规划图_郑涛.pdf

航空装备电弧熔丝增材制造技术发展及路线规划图郑涛*,郭绍庆,张国栋,施瀚超（中国航发北京航空材料研究院3D 打印研究与工程技术中心,北京100095）摘要：电弧熔丝增材制造技术（wirearcadditivemanufacturing，WAAM）是一种高沉积效率的增材制造技术，采用逐层堆积的方式制备多种高性能的金属结构件，针对航空装备的大型、中等复杂的铝合金、钛合金 WAAM 成形技术的研究获得广泛关注。本文对 WAAM 技术定义、技术分类、成形系统及原理进行论述，综述了近年来国内外航空航天领域 WAAM 成形铝合金、钛合金的组织特性、冶金缺陷及质量改善、典型构件技术应用等方面的研究进展，分析了目前航空装备的大型、中等复杂构件 WAAM 成形技术所面临的关键共性问题，并提出了 2035 年WAAM 成形技术路线规划图。关键词：电弧熔丝增材制造；航空装备；铝合金；钛合金；发展路线图doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000207中图分类号：TG441文献标识码：A文章编号：1005-5053(2023)01-0018-10Wire arc additive manufacturing technology development and route planningmap for aviation equipmentZHENGTao*,GUOShaoqing,ZHANGGuodong,SHIHanchao（3DPrintingResearchandEngineeringTechnologyCenter,BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095）Abstract:Wire arc additive manufacturing(WAAM)is an additive manufacturing technology with high deposition rate thatproducesavarietyofhigh-performancemetalstructureslayerbylayerstacking.TheresearchonWAAMtechnologyoflargeandmediumcomplexaluminumalloyandtitaniumalloyforaviationequipmentshasbeenwidelyconcerned.Inthispaper,theWAAMtechnicaldefinition,classification,formingsystemandprinciplearediscussed.Therecentresearchprogressinthemicrostructureproperties,metallurgical defects,quality improvement and technical application of typical components of aluminum alloy andtitaniumalloyformedbyWAAMinaerospacefieldbothathomeandabroadisreviewed.ThekeycommonproblemsintheWAAMforminglargeandmediumcomplexcomponentsofaviationequipmentsareanalyzed,andthe2035WAAMformingtechnologyrouteplanningmapisproposed.In2035,theshapecontrolandpropertycontroltechnologyofWAAMaluminumalloyandtitaniumalloycomponentistobemastered;thelargeandmediumcomplexstructurecomponentsofaluminumalloyandtitaniumalloywhichformedbyWAAMareachievedcomprehensiveapplicationinaviationequipment.Key words:wirearcadditivemanufacturing；aviationequipment；aluminumalloy；titaniumalloy；routeplanningmap航空制造业作为高端技术密集型产业,一直代表着世界各国制造业的发展方向,是一个国家制造业实力和国防工业现代化水平的综合体现1。航空航天高端装备具有结构复杂、制备工序多、批量小等特点，随着大飞机、航空发动机、新一代运载火箭等不断发展，航空航天典型构件产品结构趋向复杂化、大型化，新材料不断涌现，传统锻造、锻造结合机械加工的制造方法越来越难以满足上述制造需求，而增材制造技术（additivemanufacturing，AM）能够较好地解决此类问题2-5。增材制造技术诞生于 20 世纪 80 年代末，是一种新型、极具潜力的先进制造技术。增材制造技术2023年第43卷航空材料学报2023，Vol.43第1期第1827页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.1pp.1827从零件的三维 CAD 模型出发，无需模具即可实现复杂结构金属构件的材料-结构一体化近净成形，为航空装备高性能构件的设计与制造提供新的工艺技术途径6-8。增材制造的能量源主要有激光、电子束和电弧，原料分为金属材料和高分子材料，形式有粉末、液体及丝材。航空航天高端装备高载荷、极端耐热、超轻量化和高可靠性的特性决定了金属材料增材制造将成为航空航天领域重点发展方向。目前，在航空航天领域应用较为广泛的金属增材制造工艺主要有激光选区熔化技术（selectivelasermelting，SLM）9、激光熔化沉积技术（lasermeltingdeposition，LMD）10、电子束选区熔化技术（electronbeammelting，EBM）11、电子束定向能量沉积技术（electronbeamdirectedenergydeposition，EB-DED）12、电弧熔丝增材制造技术（wirearcadditivemanufacturing，WAAM）13。WAAM 是一种金属材料近净成形制造技术，该技术被欧洲航天局视为一种低能耗、可持续的绿色环保制造技术；近年来，随着增材制造技术向高效率、低成本的方向发展，WAAM 越来越受到国内外航空航天工业的重视14。本文对电弧熔丝增材制造的定义、技术分类、成形系统及原理进行论述，综述近年来国内外航空航天领域电弧熔丝增材制造铝合金、钛合金的组织特性、冶金缺陷及质量改善、典型构件技术应用等方面的研究进展，分析目前电弧熔丝增材制造技术在航空装备的大型、中等复杂构件制备方面所面临的关键共性问题，提出 2035 年 WAAM 成形技术路线规划图。1 电弧熔丝增材制造的定义、技术分类、成形系统及原理 1.1 定义及技术分类电弧熔丝增材制造技术最早可以追溯到 1925年，Ralph15首次提出利用电弧作为热源，以金属丝材为原料，将丝材熔化堆焊获得金属制品。目前，该技术在国内外掀起了研究的热潮，其理论及技术发展都已趋于成熟。电弧熔丝增材制造技术是基于离散-堆积制造思想，通过三维设计软件建立零件的实体模型，以电弧作为成形热源将金属丝材熔化，按设定的成形路径堆积每一层片，采用逐层堆积的方式成形所需的三维实体零件16-17。电弧熔丝增材制造由传统堆焊技术发展而来，具有设备及材料成本低，材料利用率高（接近 100%），沉积效率高，成形零件无尺寸限制等技术优势，能够快速实现大型、中等复杂航空构件的低成本、高效制造，但高的热输入量及沉积速率导致成形构件的表面粗糙度较大，需要后续机加工达到理想的工件状态。根据热源及成形方式的不同，电弧熔丝增材制造 技 术 分 为 熔 化 极 气 体 保 护 焊（gasmetalarcwelding，GMAW）增材制造技术18，钨极惰性气体保护焊（gastungstenarcwelding，GTAW）增材制造技术19及等离子弧焊（plasmaarcwelding，PAW）增材制造技术20，GMAW、GTAW 及 PAW 的技术原理如图 1 所示21。(a)ArArArAreAreArePowerPowerPowerWireWireWire feederWorkpieceWorkpieceWorkpieceNozzleNozzleNozzleWireTungsten electrodeTungsten electrodeCoolingwaterCoolingwater+(b)(c)+图1电弧熔丝增材制造技术原理图21（a）GMAW；（b）GTAW；（c）PAWFig.1SchematicdiagramsofWAAM21（a）GMAW;（b）GTAW;（c）PAW基于 GMAW 的电弧熔丝增材制造具有沉积效率高（34kg/h）22、制造成本低、送丝方向及电弧同轴一体化等优点，但同时也存在热量输入大、成形精度低、表面质量粗糙等缺点。为消除 GMAW增材制造存在的热量输入大、成形精度低等问题，Fronius 公司发明了一种名为冷金属过渡焊技术（coldmetaltransfer，CMT），CMT 技术通过将熔滴过渡和送丝运动数字化协调，可实现数控方式下的短电弧和焊丝的换向送丝监控，控制送丝机构按照送丝控制系统的指令以 70Hz 的频率控制脉冲式的焊丝输送同时调控电源输出波形。当熔滴与熔池发生短路时，熔滴在无电流的状态下过渡。熔滴第1期航空装备电弧熔丝增材制造技术发展及路线规划图19过渡时电弧熄灭，焊接电流几乎降为 0，从而大大降低焊接热输入量23。CMT 具有独特的熔滴过渡技术、焊接热输入量小、飞溅小、焊缝成形美观，非常适合于铝合金电弧熔丝增材制造。基于 GTAW 的电弧熔丝增材制造具有焊缝成形美观、飞溅少、成形性能好等优点，但沉积效率较 GMAW 低，约 12kg/h，由于其热源系统与送丝系统相互独立，需采用旁路送丝方式，零件的沉积质量与送丝方位有较强的相关性，因而在复杂零件制备方面受到限制。基于 PAW 的电弧熔丝增材制造技术有利于控制及降低成形热输入，具有能量利用率高、单道熔宽大、焊缝成形美观等优点，但不足之处在于制造效率相对较低。1.2 成形系统及原理电弧熔丝增材制造是数字化连续堆焊成形过程，其典型成形硬件系统如图 2 所示24，包括焊机及焊枪、送丝机构、机器人数控系统、计算机控制系统、传感器及操作平台。采用 WAAM 成形系统制备金属零件涉及三个主要工序：路径规划、沉积过程及后处理。对于特定的 CAD 零件模型，计算机控制系统中的 3D 切片及编程软件通过分析CAD 零件模型、原材料类型，自动生成沉积过程所需的工艺参数及机器人运动路径规划，焊枪随着机器人手臂按照既定的路径逐层堆积形成零件，系统配备的各类传感器同步监测零件制备过程中的焊接参数、熔滴过渡形式、焊缝形貌及层间温度等信息并及时反馈计算机控制系统进行工艺优化以避免潜在的工艺缺陷，从而获得尺寸精度高、无缺陷的金属零件。Welding torchWire feederMolten poolSensorComputerRobotWelding machineController图2WAAM 成形系统示意图24Fig.2SchematicdiagramoftheWAAMsystem24 2 面向电弧熔丝增材制造的高性能金属材料 2.1 电弧熔丝增材制造铝合金铝合金因其具有高比强度、比模量和良好的断裂韧性、抗疲劳、耐腐蚀等性能，是航空航天领域重点的结构材料。近年来国内外研究人员针对航空装备常用的 Al-Cu 系、Al-Zn-Mg-Cu 系、Al-Cu-Mg 系、Al-Mg 系、Al-Si-Mg 系铝合金的 WAAM技术开展了深入研究并取得了一定进展。（1）