新型电弧增材制造技术实现沉积率突破10kg/h，晶粒减小，力学性能提升

来源： 增材制造硕博联盟

定向能量沉积（DED）的电弧增材（Wire-arc）用于以高沉积速率去沉积大型金属构件。为了缩短整体制造时间，进一步提高生产效率和效益，需要更高的沉积速率。然而，传统的气体金属弧（GMA）的电弧增材DED，其特点是高能量输入，通常会导致在相对较高的沉积速率下，出现高度的重熔和再加热问题，从而降低工艺效率、损害机械性能。

针对这一问题，英国克兰菲尔德大学（克大）焊接与增材制造中心Stewart William教授及其团队在增材制造顶刊Additive Manufacturing上发表题目为A novel cold wire gas metal arc (CW-GMA) process for high productivity additive manufacturing的研究文章，提出了一种新型电弧增材DED工艺，结合GMA和外部冷丝，即冷丝气体金属弧（CW-GMA），实现高沉积速率和低材料重熔。

论文研究了不同能量输入水平下的最大沉积速率，最高沉积速率达到了14 kg/h。使用该工艺制造了一个重达280 kg的工业尺寸的构件，沉积速率约10 kg/h，展示了该工艺在高生产应用中的能力。同时发现，由于添加冷丝，重熔现象显著减少。研究还开发了CW-GMA工艺的工作空间和几何过程模型，用于选择准确参数、预测单道壁结构的几何形状。而且，CW-GMA工艺中冷丝的添加降低了比能量密度，使晶粒尺寸和各向异性均减小，提高了机械性能，增强了强度并降低了各向异性。

图1. 示意图展示了基于冷丝气体金属弧（CW-GMA）的电弧增材（DED）系统的实验设置

图2. 示意图展示了GMA火炬、冷丝和基板的配置

图3. 电源校准 (a) 电弧电流随硬丝送丝速率（HWFS）变化的关系，(b) 电弧电压随硬丝送丝速率（HWFS）变化的关系，(c) 输出功率随硬丝送丝速率（HWFS）变化的关系，以及 (d) 输出功率随电弧电流变化的关系

图4. 示意图展示 (a) 珠焊宽度、珠焊高度、珠焊横截面积（A1）的定义，以及基板的重熔区域（A2）的定义；(b) 总壁宽度和有效壁宽度的定义

图5. 示意图展示 (a) 从两个壁中提取用于拉伸测试和微观结构分析的样品的位置，以及(b) 用于拉伸测试的样品尺寸。注意，BD-建造方向，TD-横向方向，ND-法线方向

图6. (a) 构件的几何形状，(b) 构件的横截面和沉积顺序，(c) 构件和沉积工具的设计，以及 (d) 构件和工具设计的横截面

图7. 在相同的硬丝送丝速率（HWFS）为8 m/min但不同的冷丝送丝速率（CWFS）下，工艺稳定性和珠焊外观的比较：(a) 在CWFS为10 m/min时的沉积过程，(b) 在CWFS为12 m/min时的沉积过程，(c) CWFS为10 m/min时的珠焊外观，以及(d) CWFS为12 m/min时的珠焊外观，粉色箭头表示移动方向

图8. (a) 随着硬丝送丝速率（HWFS）变化而实现的最大冷丝送丝速率（CWFS），(b) 随着HWFS变化而实现的最大沉积速率；(c) 在广泛的电弧丝材DED过程中，对不同工艺条件下钢材实现的最大沉积速率

图9. 冷丝送丝速率（CWFS）对不同电弧电流水平下珠焊形状的影响 (a) 珠焊宽度，以及 (b) 珠焊高度

图10. (a) 在相同的电弧电流（301 A）下使用不同冷丝送丝速率（CWFS）获得的珠焊横截面，(b) 珠焊的稀释度，以及 (c) 相应珠焊的总熔融面积

图11. 基于珠焊平板实验的CW-GMA工艺的工作空间 (a) 硬丝送丝速率（HWSF） vs 冷丝送丝速率（CWFS），以及(b) 焊接速度（TS）vs 冷丝送丝速率（CWFS）

图12. 基于多层单道壁的CW-GMA工艺的工作空间 (a) 硬丝送丝速率（HWSF） vs 冷丝送丝速率（CWFS），以及(b) 焊接速度（TS）vs 冷丝送丝速率（CWFS）

图13. CW-GMA基础电弧丝材DED多层单道壁的几何过程模型 (a) 有效壁宽度，(b) 层高，以及 (c) 表面波纹度

图14. 标准GMA和CW-GMA工艺生产的样品的拉伸性能 (a) 两个工艺产生的两种不同取向的四个典型应力-应变曲线，以及 (b) 每种条件下强度和延伸率的平均值。注意，GMA_H和GMA_V分别表示标准GMA工艺产生的水平和垂直取向的样品，而CW-GMA_H和CW-GMA_V分别表示CW-GMA工艺产生的水平和垂直取向的样品

图15. 子铁素体和重建的先驱奥氏体的EBSD反极图方位图，以及从BD-ND平面获取的重建奥氏体相的反极图和极图 (a1-a4) GMA工艺样品和 (b1-b4) CW-GMA工艺样品；对比 (c) 重建奥氏体晶粒尺寸分布和 (d) GMA和CW-GMA加工样品之间的纵横比

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图16. 构件的沉积过程：(a)、(b) 和 (c) 显示了第一层的沉积；(d) 显示了第1部分的沉积，(e) 显示了第2部分的沉积，以及 (f) 显示了构件的最终外观
论文关键结论如下：
1. CW-GMA的DED最大沉积速率为14 kg/h，这是所有单一电源的电弧增材DED工艺中最高的。利用该工艺成功制造了一个质量为280 kg的工业尺寸构件，其沉积速率接近10 kg/h，证明了使用该工艺建造具有高生产效率的大型工程结构的可行性。

2. 与标准GMA工艺相比，在CW-GMA工艺中添加冷丝改变了珠焊的几何形状，并显著减少了重熔和再加热出现的次数。具体而言，由于熔化效率的提高，珠焊宽度先增加，然后由于冷丝吸收了熔池的能量，珠焊宽度趋于稳定。由于基板或预先沉积层吸收的能量减少，随着冷丝送丝速率（CWFS）的增加，重熔不断减少。

3. 基于单层和多层沉积实现了CW-GMA工艺的工作空间。这可以用来指导工艺参数的选择，以避免该工艺中的任何缺陷。此外，制造了多层单道壁的工艺模型，可用于预测沉积壁的几何特征，包括TWW、EWW和LH。

4. 对CW-GMA的微观结构和力学性能进行了检测，并与标准GMA工艺进行了比较。由于添加冷丝，与标准GMA工艺相比，CW-GMA工艺中的比能量密度减小，导致更小且更各向同性的晶粒，从而使前者的拉伸强度更高，各向异性更小。