电弧增材制造中的热源及其对宏观微观结构特征和力学性能的影响

巴基斯坦NED工程技术大学、达伍德工程技术大学及巴林大学的科研人员综述了电弧增材制造中的热源及其对宏观微观结构特征和力学性能的影响。相关论文以“Heat sources in wire arc additive manufacturing and their impact on macro-microstructural characteristics and mechanical properties–An overview”为题发表在《Smart Materials and Structures》上。

重点：
1.本综述研究了电弧增材制造（WAAM）中的电弧热输入，如GTAW、GMAW、CMT和PAW，这是一种具有成本效益的高沉积率工艺。
2.报告了WAAM的宏观结构、微观结构和力学性能，重点关注能量和热输入源的稳定性。
3.本综述还重点介绍了用于WAAM的主要热源的工艺特性。
4.特点包括混合热源以及将热源与减材和变形等制造工艺相结合。

电弧增材制造技术（WAAM）的逐层成型理念视为是传统减材制造方法的可行替代方案，因为它能够制备出结构复杂程度适中的大型金属部件。与传统的增材制造（AM）工艺相比，该技术具有成本低、沉积率高等优势，因此备受关注。本综述研究了基于电弧增材制造系统的钨极氩弧焊 (GTAW)、熔化极气体保护电弧焊(GMAW)、冷金属过渡焊接(CMT)、等离子弧焊 (PAW) 材料沉积过程中的各种电弧热输入和热源。要做到这一点，必须采用全面的方法来理解主要工艺因素及其对最终部件质量的影响。在本综述中，研究了与各种热源和电弧热输入有关的宏观微观结构和力学行为。本综述还研究了电弧增材制造工艺中与热量有关的输入要素，来确定热输入方面的最佳电弧增材制造技术。本综述的主要目的是研究热输入与使用电弧增材技术沉积的零件的力学、微观结构和宏观结构特征之间的相关性。本研究深入探讨的热输入对电弧增材制造工艺的稳定性至关重要，并在制造过程中影响零件的力学特性和微观结构演变。综述涉及多种材料，包括铝合金、铜合金、钢合金、镍合金、铁合金、钛合金、镁合金和智能材料，重点关注其微观结构、宏观结构和力学性能，为其在多个行业的应用提供了重要见解。

图1.根据技术要求选择相关增材制造方法的示意图。

图2.用不同焊接方法展示电弧增材制造原理：(a)GTAW、(b)PAW和(c)GMAW。

图3.电弧增材制造物理过程的顺序描述，包括从电弧到焊丝的热传递、焊丝熔化、熔滴形成、射滴过渡、与基材碰撞，然后凝固。

图4.(A)MIG焊、(B)TIG焊和(C)PAW焊操作原理。

图5.多层结构被分成不同的区域，可进行综合表征。

图6.多层结构的宏观结构分析，（a）顶部、（b）中部和（c）底部。

图7.电弧增材技术制造薄壁拉伸试样的实验装置。

图8.电弧增材制造试样吸收能量的比较分析。

图9.(a)复合焊接和成形工艺原理图，左侧为焊接工艺，中间框内突出显示熔敷材料的（热）轧制，右侧是力学性能被优化的焊缝。(b)诱导热和塑性应变产生的微观结构效应。

图10.将WAAM与表面轧制相结合的混合金属增材制造工艺示意图。重点是改变冶金结构，突出晶粒尺寸减小及其对残余应力的影响。

图11.金属增材制造与硬币铸造的集成：（a）新型混合制造工艺示意图，包括激光粉末床熔融(LPBF)沉积、线材电火花加工、抛光和硬币铸造；（b）用AISI 316 L铸成的硬币原型图。

图12.通过电弧增材技术沉积的材料及其工业应用实例。

图13.部分工业应用领域。

这篇综述为有兴趣了解最新研究成果的全球学术界人士提供了一份成果总结。文章以最近发表的大量电弧增材制造研究成果为基础。为了更好地理解电弧增材制造技术，提高其接受度和实用性，需要对一系列专用设计的大型金属结构进行更多的实验研究。尽管电弧增材技术的基准信号还不如其他制造工艺多，但与传统生产方式相比，数字化制造的优势显而易见。只要能缓解高热量输入带来的挑战并解除限制，大规模、高质量的电弧增材制造是可行的。

电弧增材制造技术在未来将占据领先地位，这对增材制造行业来说是非常有利的。近年研究表明，通过优化电弧增材制造过程中的热输入条件，可以增强电弧增材制造零件的宏观结构、微观结构和力学性能。建议在减少热输入的同时改善制造部件的宏观结构，保持结构准确性并提高沉积率。宽度与高度之比降低的原因是，当热量输入减少时，熔池无法在硬化前膨胀。热输入量在很大程度上影响着电弧增材制造样品的晶粒大小、形状和孔隙率。一些研究表明，控制影响晶粒的工艺变量（如送丝速度、传输速度和热输入）可能会有利。为了增强电弧增材样品的力学性能，提高电弧增材零件的尺寸精度和表面质量，应进一步研究最佳热输入以及材料成分与工艺变量之间的联系。先进的计算机系统控制着电弧增材自动化生产流程。它与复杂和不对称的零件图案相辅相成。金属可通过当前普遍使用的焊接工艺沉积。焊接方法和热量输入都能控制金属沉积的速度。使用电弧增材技术可以有效降低材料利用率和零件总成本。相对应力、孔隙和分层是电弧增材制造部件的主要问题。

特殊工程材料的开发、粒度和分布的重要性、热问题的研究、专门用于内部特殊应用的更新材料的合成、材料数据库的创建以及改善力学和微观结构性能的方法，是增材制造材料领域的一些重要研究领域。对这些问题进行深入研究是必要的，尤其是在为生物医学、建筑、航空和汽车等重要行业生产零件时。


论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.smmf.2024.100059