等离子沉积应用于增材制造Ti-6AI-4V的优势研究

来源：先进增材工艺  

增材制造下材料利用率及设计灵活度较高，这符合当代可持续发展要求，在众多工艺中具有显著优势。等离子丝沉积是一种将等离子焊接与送丝相结合的新型增材制造（ALM）技术。本文建立了Ti-6Al-4V工艺的工作包络线，并计算了回归模型的总壁宽、有效壁宽和层高。等离子丝沉积工艺能够产生宽度达17.4 mm的直壁，加工后最大有效壁宽为15.9 mm，比其它工艺所得要宽得多。此外，Ti-6Al-4V的平均沉积率为93%，最大沉积速率为1.8 kg/h。沉积过程中，β相粗柱状晶粒从基体生长，冷却后转变为α片层的Widmanstätten结构。在沉积中可发现带，其具有大小不一的重复网篮组织结构。通过微压痕硬度测试得到的平均强度为387 HV，比基体高出12%。这些初步数据表明，等离子丝沉积工艺可能适用于大型航空航天部件的增材制造。

1.简介
根据Baufeld et al.(2010)研究，增材制造是一种通过连续多层沉积特定材料来制造复杂、近净形状组件的技术。Akula 和 Karunakara(2006)介绍了增材制造的首次应用，称其能使塑料制品快速成型、缩短产品开发时间并延长产品寿命。此后，相关研究逐渐转向金属沉积，目标主要聚焦于那些加工难度较大或成本较高的金属材料，要求是尽量减少浪费。金属增材制造技术因热源和进料形式而异。Kruth et al.(2007)对选择性激光熔化进行了广泛研究，其中包括激光扫描粉床。为生产出牢固结合的复合材料，Wang et al.(2006)研究了Ti-6Al-4V直接激光制造，可同时提供吹粉和馈线。选择性激光熔化可以用电子束熔化替代：Murr et al.(2010)使用该工艺制造了Ti-6Al-4V 多孔泡沫增材层。为提高沉积率，已将电弧焊接技术运用于增材制造。Baufeld et al.(2010)采用GTAW焊接从高纯氩气中成功制造出Ti-6Al-4V管状元件。Sequeira和Williams(2010)通过CMT焊接和GMAW沉积舱外沉积Ti-6Al-4V。该工作还开发了一个流程模型，其可为给定单臂形状选择最合适几何参数。尽管存在一些将等离子焊接工艺与送粉相结合的研究(Xiong,2008; Zhang et al,2003)，但据作者所知，目前没有任何相关文章的发表。

在构建非垂直部件时，所有基于粉床的技术都需要支撑结构。虽然使用激光技术辅助可以得到更高的尺寸精度，但也存在一些问题。首先，使用激光技术沉积率较低，如 Zhang et al.（2003）所得，其值通常为 9-120 g/h。其次，在其扫描路径中，激光点可能会影响比激光焊道本身更大的区域，从而产生球化现象，Tolochko et al.(2004)对此进行了描述。最后，仅通过目前可用设备，很难使用粉床技术生产出大于300 mm×350 mm×300 mm的零件。

在制造大型构件方面，线材技术较之粉末技术优势更大：线材技术沉积率可高出十倍以上，并且在构建部件尺寸上不受限，前提是机械手足够大并且可以在焊接炬实施保护气焊。此外由于所有送入焊丝都进入熔池，此过程污染较少。而与此相对的是，许多粉末技术在回收过程中使用的粉末会造成污染。

虽然Sequeira Almeida和Williams(2010)之前的研究已经证明使用GMAW焊接可生产出1000 mm×200 mm×4 mm钛合金壁，但本文主题为研究并探讨等离子丝沉积特性。如Messler(1999)所述，非转移等离子弧焊是非消耗性钨电极(阴极)和铜阳极在焊枪内产生电弧的一种过程。惰性气体(通常是氩气)受力通过因阴阳极而形成的孔，从而收缩电弧。同其它沉积方式，如GTAW沉积相比，该工艺下能量密度更高，电弧稳定性更高且污染更少。Weman(2003)论述使用这种工艺焊接行进速度更快，质量也更好，因而将其运用到增材制造也可以产生同样的优势。此外，我们还将建立一个能够预测沉积状态主要几何特征的模型。

图1 等离子沉积实验装置示意图

2. 研究方法
2.1实验装置
用于等离子沉积的设备如图1所示，包括：一个带有100mm长拖护罩的Liburdi Engineering PW-400C等离子体焊接炬；一台Liburdi Pulseweld LP4000-VC电源。等离子体和保护气体均采用纯氩气。焊炬间距为7mm (可确保不发生碰撞)，电极复位为5mm (采取焊炬厂家建议)。实验期间上述数据稳定不变。焊丝直径为1.2 mm，焊丝从焊池前端进料，如图1所示。线弧化学成分如表1所示。沉积操作阶段以及相应的等离子体气体、屏蔽气体保护气和尾流保护气流速见表2。

表1

表2

2.2过程窗口确定初步实验
将等离子沉积运用于增材制造属创新之举，通过数量34一组的初步单层(板上珠)实验可以提前了解该工艺的大体情况并确定该工艺参数局限性。物理限制或参数组合不切实际会导致沉积无法实现。实验设置与2.1所述相同。当两个参数保持不变时，另一个在固定的步骤中变化，直到肉眼观察沉积层，发现不可行组合。

2.3过程模型开发试验
壁层14，长140mm。层沉积总是从同一端点开始。在每层开始沉积前，用不锈钢丝刷和丙酮清洗盘子，以消除表面污染。使用200 mm×100 mm×7 mm参数的Ti-6Al-4V进行等离子沉积可得到三面增材制造直墙，先将此部分冷却至100◦C，然后再沉积新层，以保持部件几何形状一致性。随后实验表明，基底温度会影响液滴表面张力，而液滴表面张力又会影响沉积的几何形状。

在确定工艺约束因素后，Montgomery(2005)选择D-最优设计方法进行了实验。最优设计由计算机生成，尤其适用于实验区域不规则、模型不标准(即，实验者事先知道某些交互作用不重要)和有一定样本大小要求(即，为缩减大小必须进行多次运行)的情。Montgomery指出如果一个设计”使回归系数向量上的联合置信区域的体积最小化“，那它就是D-最优设计方法。在实验中，实验人员输入约束方程，并指定与不必要的模型项和样本大小有关的任何条件。然后，软件运行一个算法，并返回具有最高D-最优的实验集。

经过初步实验和因素缩减，选取送丝速度(WFS) [X1]、行进速度(TS) [X2]和电流(I) [X3]作为模型因素。WFS是金属丝进入熔池的速度[mm/s](图1)；TS是机械手(也就是焊接炬)沿Y轴的运动速度[mm/s]；I [A]影响热输入。

模型中使用的三个反应为总壁宽、有效壁宽和层高，这些将在下一节中进行描述。由于三次行为是预期的，因而使用三阶多项式方程进行匹配。

在此方程中，Y是预测反应，β0是常数的过程影响，βi是Xi的线性效应,βi 是Xi 的二次效应，βiii 是Xi 的三次效应，βij是一阶的交互，βiij是二阶的交互，β123是三阶的交互。

本研究采用了Stat-Ease Design-Expert®7.1统计软件，其可以创建评估一般析因设计，部分析因设计，响应面及优化设计。该软件分析表明，计算全模型的回归系数需要进行28次试验。

2.4 测量
在距沉积起始点50 mm、80 mm和110 mm处测量沉积层高度。用平均值来确定下一层沉积的高度增量。在计算平均层高时，由于底板的热效应，排除了前四层(图2)。取横断面，放入树脂，打磨，抛光，氢氟酸蚀刻，以便拍摄宏、微观图像。沉积壁面具有不规则的表面光洁度，因此需要进行加工操作以实现平面侧面。将加工前后的宽度分别命名为总壁宽(TWW)和有效壁宽(EWW)，有效壁宽代表有效可用的宽度。如图2所示。面积A为EWW围成的横截面积；区域B和C是需要通过加工操作去除的材料的横截面区域。使用Adobe Photoshop® CS4测量宽度和面积。在Adobe Photoshop中，通过不同颜色突出显示不同区域(A、B或C)。在定义图像上比例后，用软件计算相应区域。

图2，一般零件截面示意图。总壁宽考虑的是实验对象的整个宽度，而有效壁宽只测量加工掉不规则侧面后剩下的部分。区域A是有效壁宽的截面，区域B和C对应的是必须加工的截面。

表面波纹度计算公式为：

表面波纹度和沉积效率都表明了达到尺寸精度必须加工多少材料。

3.结果及讨论
3.1 工作包络线

对Ti -6Al -4V沉积的初步研究表明，各参数的范围可以用以下公式表示：
20 ≤ wire feed speed ≤ 100（4）
2 ≤ travel speed ≤ 10 (5)
120 ≤ current ≤ 300（6）
160 ≤−5×wire feed speed+3×current(7)
-520 ≤−8×wire feed speed+current（8）
-200 ≤ wire feed speed–current（9）
0 ≤−wire feed speed+20×travel speed（10）
0 ≤ wire feed speed−5×travel speed（11）
-58 ≤−wire feed speed+6×travel speed（12）

图3对这些进行了具象表示，认为它们可能与发生在工作包络线之外的缺陷有关。WFS和TS的低限值是由于需要较高的沉积速率，因此没有考虑较低的值。WFS（送丝速度）上限是由于硬件限制造成的。电流上限与WFS上限有关，300A是熔解WFS上限(100mm /s) 所需的电流。一方面，当热输入不足时，会发生不完全熔化(方程式(6) - (8)；图3中B3、B4图像)；另一方面，当热输入过大时，珠形均匀性会受到严重影响（方程式(9)；图3中B1、B2图像)。

高TS（行进速度）产生了一种程度更大的峰值（方程式(5)和(11)：图3中A1-A3图像）；高表面张力使液滴一接触冷基体就凝固；WFS（送丝速度）越高，峰越大。这就是上层试验装置（TS）受限的原因。

图3，（a）WFS送丝速度-TS（行进速度）和(b) WFS（送丝速度）-I（电流）工作包络线。这些数字表示每条线条所收到的约束。(c)约束下的工作包络线三维图；这些点对应计算模型回归系数所需的28次试验。

3.2加工能力

典型沉积如图4所示，图5将其与其它工艺进行了比较。对于GMAW和GTAW工艺，只考虑采用舱外制造所得的比较数据，这些数据来自于Sequeira和Williams(2010)、Eze(2009)、milelwski et al.(1999)和Tolochko et al.(2004)的研究。注意，在基于激光的加工过程中，假定壁宽等于光斑大小。粉层激光沉积工艺的主要优点是特征尺寸小。最后还有一个有趣的现象，那就是等离子沉积可以优化GMAW-CMT工艺能力，后者生产所得壁度更薄且层数更高。因此，两种工艺相结合，可以满足任何几何需求。

使用等离子沉积可得最大沉积速率为1.8公斤/小时；然而，它受到规格为100 mm/s送丝机的限制。该过程表明在功率和WFS都增加的前提下，沉积率就有可能进一步增加。表面起伏范围为0.35 -1.51mm，平均值为0.70mm。平均沉积效率为93%，最大值为98%，最小值为85%。这些值远高于GMAW-CMT工艺产出，其平均值约为80%(Sequeria Almeida& Willliams,2010)。只考虑沉积时间的话，沉积14层所需时间范围为3分16秒到16分20 秒，取决于行进速度。前四层宽度约为总壁宽的77%，后4层有效壁宽的88%。在实践中，前四层需要不同的参数以产生更大的有效壁宽。对该内容，本研究不做探讨。

图4，Ti-6AL-4V 等离子沉积所得产品

图5，等离子沉积与其它增层制造工艺在总壁宽、有效壁宽和层高方面对比图。高频钨极氩弧焊、直流钨极氩弧焊、选择性激光熔化和直接激光制造均没有有效的壁宽数据。

3.3. 宏观结构
所有标本的横截面都显示出一个共同的宏观结构，经过沉积过程，先前的β柱状晶粒从底板（图7a）中生长出来。在增层制造背景下中，Baufeld et al.(2010)，描述了Ti-6Al-4V 如何在以立方β为中心的体中凝固，然后在1000℃以下冷却时部分转变为被六边形闭合填充α相，周围被β矩相包围。所得晶粒比基板中的要大得多，这是外延晶粒生长（发生在沉积过程中）的结果，即有利晶粒生长，不利晶体不生长。优选方向即热流方向。

此外，在微结构中还有一系列带，它们在壁底部凸起，并垂直于壁顶部。这一特性将在下一章节进行讨论。

3.4 微观结构与硬度

通过对沉积微观结构进行分析，从中可以发现许多关键特征。首先，上部区域由精细的微观结构组成，如图6所示。该区域内的微观结构相对均匀，包含精细的 Widmanstätten 以及一些针状α片晶。Widmanstätten 微结构由小α菌落组成，这些菌落原本应成核为之前的β晶粒，现在却转变为围绕α片晶的基质。α成核始于晶界，当成核的α片晶相互碰撞而无法进一步生长时，额外的成核在薄片边界上发生，导致新的薄片垂直于原来的薄片生长，以最小化弹性应变(Lütjering & Williams,2007)。虽然一些作者(Gil et al.,2001；Lütjering & Williams,2007) 将网格状的微观结构，如在顶部区域发现的那种微观结构称之为马氏体，但其他人(Baufeld et al.,2009)表示这样的显微组织为精细方平组织。不管对此解释如何，但正如Lütjering 和Williams(2007)，Gil et al.(2001)，Filip et al.(2003)以及Ahmed& Rack(1998)所述，这种微观结构通常是通过将材料从β以上转变温度快速冷却到室温来产生的。在该区域下方可观察到一系列带，每个沉积产生一个带层。通用频带由图 7a 中的字母 F 表示。分析图7中两个带之间的微观结构可得，随着Z方向上距离的增加，薄片尺寸（目视评估）增加，即在两个带内，朝向焊接炬的微观结构尺寸逐渐增加（参见图 7B-F)。Kelly 和 Kampe(2004a)也观察到了这种微观结构，他们声称微观结构尺寸变化是由成分梯度或热效应引起的。

另一种解释是最终微观结构是由多次热循环引起的，包括：材料沉积的一次热循环，以及后续层引起的后续热循环。Kelly和Kampe(2004b)对ALM 期间的热历史以及该过程的内部热模型进行的分析表明，在沉积物顶部4-5 mm的冷却速度差异不大。因此，当温度超过β过渡温度时，显微组织不太可能有任何显著的差异，而高冷却速率会产生均匀的马氏体(或精细的Widmanstätten)显微组织。

就在这一区域的下方，即图7a中B点所确定的区域，峰值温度将刚好低于β过渡温度，因此微观组织不会完全转变为β相。典型的热循环如图8所示，设定其峰值温度为TB。持续保持该温度，时间为tB，β相不会发生变化。当温度时间足够（温度高于α溶解温度Tdiss 748℃，高于该温度时α平衡体积微量就会下降）α金属丝区域结晶粒会粗大化，Baufeld et al.(2009)也对此现象进行了描述。在离焊接矩较远的一点，即图7a中F点处，峰值温度尚不可知，但可以确定的是其值显著低于B点。图8中的第二个热剖面对此进行了表示，该热剖面有一个峰值温度TF，维持该峰值温度需要时间为tF。这种较低的温度不足以引起结晶粒粗化，因而之前的大部分组织可以得到保留，即与顶部区域马氏体组织差别较小。因此，在带内观察到的不同微观结构是由峰值温度带来的初步反应，即材料在第一个热循环中达到峰值温度，而此温度低于β过渡温度；并不是像一些作者声称的那样，是由于冷却速度差异。注意，随后热循环中的峰值温度不会引起明显的微观结构变化。

沿中心线对四个试验对象每1.5 mm进行一次硬度测量。基体的平均硬度为347 HV, 4个试样的硬度范围为342 ~ 430 HV，平均硬度为387 HV。沿沉积物的硬度值没有明显的变化趋势。样品的标准偏差(20 HV)与底板(19 HV)相似。数值表明，在沉积过程中，材料发生了一定程度的硬化。

图6，沉积顶部典型的精细层状结构。图中针状薄片表示存在马氏体。

图7，(a)为沉积宏观结构；(B-F)对应图(a)中不同位置微观结构。从图中可看到Widmanstätten特征尺寸在增加。

图8，图7中B和F的建议冷却曲线。TB和TF是这两点达到的峰值温度，tB和tF是对应所需时间。

3.5 沉积过程中的问题
如第2节所述，材料需冷却到100℃，再进行下一层沉积。由于Ti-6Al-4V热导率较差(7.2 W/mK)，因此等待时间可能远大于实际沉积时间。这一问题在本研究的小标本实验中那个得到了充分显示。该过程将通过大型结构进行解决，由于部件尺寸较大，连续层沉积时间较长，因此实际操作问题不大。其它解决方案可能还包括同时存放多个组件或进行沉积过程冷却。

沉积壁高不一致；一开始有明显驼峰，结束时会出现凹陷，如图4所示。末端的凹陷很可能是由于焊接矩没有散热片造成热量积聚所致，这一问题可以通过减少通过电流来解决。而一开始出现驼峰可能与沉积在冷基材上的热效应有关。这两个问题都可以通过改变沉积策略来解决：即不再从同一点开始沉积每一层，而是每一层可以从前一层完成的地方开始沉积。通过这种方式，驼峰和斜面将在两端平均分布，相互补充。该解决方案不需要修改任何工艺参数，已经过测试验证。

在总共32个样品中，只有4个样品观察到了纵向的空洞(图9a和b)。在这些样品中，冷却速度需要足够高，以防止熔融金属填充等离子射流产生的空洞。在两个样品中，只在基材中观察到空洞，而在其他两个样品中，空洞延伸到整个沉积区域。在实验设计上，这两个样品具有相同的沉积参数，第二个样品是第一个的复制。因此，两者都出现该缺陷是可预料的。工业应用中不希望出现该空洞情况；因此，引起空洞的参数组合应排除在工作包络线之外。

氧化是工艺加工过程中的一个主要问题。许多样品在沉积后会出现表面变色情况 (图9c)。颜色可能从淡黄色到深灰色不等，并且由于难以充分屏蔽组件，随着沉积物高度增加，变色会更加普遍。因此需要开发更有效的舱外沉积屏蔽装置。最后，即使是在这些小样本上，变形情况也很明显，这表明沉积层中的残余应力可能很严重，需要得到解决。

图9，加工问题包括空洞和表面氧化(c)。在4个试样中观察到空洞: (a)仅在底板上有空洞，(b)延伸到整个镀层。

3.6 数据分析
为了确定测量反应和统计显著变量之间的关系，本研究进行了方差分析(ANOVA)，产生了以下壁总宽(TWW单位[mm])、有效壁宽(EWW单位[mm])和层高(LH单位[mm])的响应模型:

表3

虽然使用了立方模型，但方差分析表明，没有得到有效三次项。令人惊讶的是，WFS（送丝速度）的线性项与TWW（总壁宽）中具有统计学相关性，但与EWW（有效壁宽）却没有这种相关性。

表3给出了三种模型的决定系数(R2)和调整后系数-R2。根据Montgomery(2005)的说法，两个R2系数都测量了数据中可以被模型解释的变异性的比例，表明95%以上的变异性可以用模型解释，除了LH（层高）结果。LH的R2值较差可能与变化较大的壁高有关，通过观察样品可发现。这有可能会影响复原数据分析的可靠性。事实上，在LH模型中，Lack of Fit的p值是显著的(0.0154)。Montgomery解释说，p值有助于决策者确定数据的显著性，其阈值通常为0.05；而Lack of Fit是因为遗漏了平方和因素。假设模型中排除了所有且只有不重要的项，可以假设显著的Lack of Fit来源于数据中的随机误差。进一步实验时需要使用更高的壁，进行稳态沉积扩展以提供更精确测量数据。

Pred-R2值（通过新数据模型来预测可变性)与调整后的R2值以及在所有三种情况下的Adeq值都保持合理一致性。测量信噪比的精度测试大于4，该值为可接受范围内的最小值。

为了进一步评估模型可靠性，本研究额外沉积了四层壁，并将它们的响应情况与Stat-Ease Design-Expert®7.1预测的结果进行比较。数据显示，TWW和EWW值始终保持在95%置信区间内；然而，4个LH测量值中有2个落在95%置信区间之外。这证实了我们之前讨论过的问题：使用回归模型预测LH反应可靠性较低。

通过等高线图具象化回归方程。当TS最小时，EWW(见图10)最大；TS增加，管壁变薄。该过程与GMAW焊接具有共同点，Sequeira Almeida和 Williams(2010)表示，壁宽取决于WFS/TS比。事实上，随着单位长度进料量的增加，比例越高，壁越厚。除此之外，电流也会影响EWW焊接(见图10)，电流较大，所得壁较厚。

需要指出的是，TWW达到最大值与EWW达到最大值所需条件基本一致，(TWW:WFS 42 mm/s, TS 2mm/s，电流237A；EWW:WFS 41mm/s, TS 2.1mm/s，电流240A)这表明这两个反应关联度极高。

LH（层高）结果如图11所示，其行为与TWW和EWW所描述的行为相反：LH随着WFS的增加和电流的降低而增加。对此我们已进行过描述，高电流会导致沉积物扩散，因此低电流会减少热输入，从而使沉积物更早凝固。在WFS 68 mm/s, TS 3.4 mm/s以及电流167 A的条件下可得到LH最大值，此时其行进速度为中间值。

为优化并行目标，它们互相矛盾但取决于同一组变量，Trautmann和Mehnen (2009)曾进行研究，他们指出优化过程可能会引起多目标优化中的典型问题。因此，如Ehrgott(2005)所述，不存在唯一最优解，但可以通过可取性函数可计算出一系列不同解。在等离子沉积过程中，EWW是第一个必须指定的参数，因为它代表着主要的设计规范；当产量要求十分重要时，沉积速率所依赖的WFS应尽可能提高，以尽快造壁。大多数最优解决方案的可取性指数都在0.90以上。

Montgomery(2005)指出，可取性指数是可取性函数得出，当响应达到目标时，可取性指数为1，当响应不可接受时，可取性指数为0。在某些情况下，可以用可取性指数= 1来计算解，例如给定条件为EWW 12 mm, WFS 100 mm/s，电流294 A, TS 7 mm/s。

图10，有效壁宽等高线图: (a) TS=2 mm/s; (b) TS = 6 mm/s; (c)TS = 10 mm/s

图11，层高等高线图: (a) TS = 2 mm/s; (b) TS = 6 mm/s; (c)TS = 10 mm/s

4.总结
本研究主要包含以下几点：
• 证明采用等离子体线沉积技术制备增材大型航空结构件具有可行性；
• 本研究描述了等离子丝沉积的加工窗口，包括何种参数组合下沉积不可行，以及可能造成外部缺陷的参数范围;
• 与竞争工艺增材制造相比，等离子沉积有效壁宽和沉积速率要高得多。但与GMAW焊接以及CMT焊接相比，等离子沉积所得层高较低；
• 实验过程中，金相显示出具有大柱状晶粒的微观组织Widmanstätten；
• 沉积会出现氧化和变形问题，在舱外沉积下更为显著；
• 设计出了一个可选择工艺参数的统计模型，在给定有效壁宽下使层高和沉积速率最大化。

来源：Martina, Filomeno, Jorn Mehnen, Stewart W. Williams, Paul Colegrove, and Frank Wang. "Investigation of the benefits of plasma deposition for the additive layer manufacture of Ti–6Al–4V." Journal of Materials Processing Technology 212, no. 6 (2012): 1377-1386.