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江苏激光联盟导读：
摘要
无论何时，需要用钛、镍、铝、钢和其他高温合金等原始金属材料的不同合金制造具有较高沉积速率(通常超过10公斤/小时)的产品，电弧增材制造技术通常被认为是最先进的AM(增材制造)技术。这种做法通常包括使用电线作为原料材料和用于电弧焊的标准工具。材料沉积率高、损耗低、设备成本高、结构完好，这些优点使它成为一种不可抗拒的工艺，可以取代传统的钢坯和锻造方法，范围从低到中复杂的制造产品。
1. 介绍
增材制造通常与“3d –打印”一词联系在一起，是一项在全球范围内广泛应用的新兴技术，其基准特征是在供应链中最大限度地减少材料和物流损耗。由于设计自由的灵活性，拓扑优化等技术的概念性应用在节约材料方面有很大的影响，因此可以减轻组件的重量，并可使需要子组件的复杂组件的可制造性达到。见图1-3和表1。
图1 使用(a)金属惰性气焊、(b)钨极惰性气焊、(c)等离子弧焊的焊丝电弧增材制造原理
图2 一个机器人WAAM系统装配
图3 根据WAAM的应用特点，对WAAM在不同领域的应用进行了系统布局
表1 在不同材料的WAAM工艺中，阻塞及其后续特征的详细描述。
通常，WAAM的基本部件由原料供应系统、热源和运动系统组成。由于所发生的变化及其应用程序的性质，系统可以根据依赖的应用程序的需要进行更改。这可以通过选择性激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)工艺得到广泛的认识，其中，EBM具有较高的材料沉积速率，零件尺寸通常较大，具有较高的工作空间面积，而SLM可用于更高的填充密度和更高分辨率的净形状产品。
? 熔合制造:将不同等级的元素按一定比例混合，然后在一个熔炉中进行熔合。根据相变化图，再加入熔点较低的元素，使熔体保持一定的共晶温度。含碳量避免熔体氧化，之后允许熔体冷却(有时可根据合金设计的需要进行淬火)。
? 电沉积法:这一过程包括电流对浸没在含有待沉积金属盐的溶液中的导电物质的作用产生电沉积，这是一种著名的现场生产金属镀层的过程。通常铜、锌、镁、铝和镍的超级合金使用这种技术。
? 还原法:在电气装置设置中，通过化学过程将不同化合物中存在的金属从不希望的存在状态分离到希望的状态(通常纯金属为最终产物)。此外，最终产物还包括氧化物、碳化物和盐类，它们是反应的残留物，会阻碍金属的最终性能，导致污染。
?粉末冶金:用单个金属粉末或合金金属粉末制造产品是生产细金属粉末，然后用单个金属粉末或合金金属粉末制造产品的技术。
2 电弧增材制造(WAAM)
通常被称为电弧作为热源与原料以金属丝的形式供给的组合，WAAM自90年代初开始在全球推广使用，尽管它早在20世纪初就获得了专利。这种制造技术的硬件系统通常涉及焊接策略和设备，如焊接电源、焊枪和送丝系统、用于精确沉积的基板夹紧装置，通常由冷金属转移法或等离子转移法携带。操作通常由CNC/机器人控制。厚度的墙壁沉积是典型的约1-2毫米，然后用机器建立平的表面。
完全熔化能够在单一工艺中生产固态、致密的金属零件（即不使用粘合剂或之前用于通过LS制造金属零件的后处理炉操作）。可以使用多种金属，包括不锈钢、钴铬和钛。这些过程相对较新，虽然它们不适合制作人体解剖模型，但它们生产定制植入物和假体的潜力已经很明显。上图显示了使用SLM制作的下颌骨?。
由SLM?制成的义齿框架。
通常，制造材料包括钛、钢、青铜、钽、镍、铜和铝合金。在大多数情况下，MIG(有时在CMT应用中使用可控倾角转移沉积机制进行修改)是首选，因为(a)导线是一个扩展电极，(b)电极与焊枪同轴的特性简化了刀具路径的移动。使用CMT的优点包括形成高质量的珠子和更少的热量输入和最小的飞溅。然而，这种对适当材料沉积的预期有时会完全错误，尤其是钛导致电弧漂移，与钢和铝相比，这是导致表面粗糙度的主要原因。因此，通常TIG和等离子弧焊是首选的钛材料。尽管如此，TIG和等离子弧焊在很大程度上取决于外部控制的送丝速度、其沉积精度、需要旋转焊炬的送丝方向，从而使机器人运动复杂化。
3 在WAAM中进行的材料及其各自的实践
在本节中，我们将讨论在WAAM工艺参数变化时材料的行为。这可以归因于为提高和优化制造工艺而对热源、丝料、轧制、加工条件、加热技术所做的改变。因此，本节提供了一个清晰的观点，当前的研究和发展发生在世界各地，先进的工具应用和材料标准使用。
SLM制备的TNM样品(A)初建时的SEM照片，(B) 950°C热处理后的照片。SLM，选择性激光熔化;TNM、多弧离子镀合金;SEM，扫描电子显微镜。
3．1. Ti-6Al-4V合金
由于其在航空航天领域的广泛应用，近年来在提高合金性能方面做了更多的工作。当激光为光源时，合金的典型行为表明，晶粒尺寸和宽度与激光功率和送丝速度有直接关系，与焊接速度有间接关系。但沿热梯度方向等轴生长的晶粒宽度更大。此外，与锻造材料相比，水平结构材料的疲劳强度、蠕变强度和拉伸强度较高，塑性较低。柱状晶粒的各向异性沿build方向分布。晶粒的粗化导致了细小的等轴结构，导致了雨状生长，并增加了形核。
水辅注射等离子体作为热源的实验表明，随着壁宽的增加，抗拉强度提高了十分之一。在WAAM中采用连续等离子体热源时，由马氏体组成的等轴矩形 格具有篮织结构，并在水平带中形成α菌落，显示低硬度。此外，还需要进一步加强高温冷却对温度变化的影响。随着焊道间温度的升高，由于顶部区域的枝晶组织较中部区域少且细小，呈现各向异性，硬度增加。当添加氮气作为保护气体时，会在钛基体上形成硬化的TiN层，从而引起电弧形状的改变。这也增加了材料的摩擦系数和耐磨性。由此形成的TiN层为水分形成的粗枝晶。
随着保护气体流量的增加，硬度增加。随着停留时间的延长，硬度和屈服强度增加，带区宽度减小。二维移动模式的等轴β晶粒和标题层带的形成。在控制进给速度的条件下，钛合金有进行双丝电弧调幅的倾向，以获得不同的相和组织(Ti-45Al和Ti-55Al)。硬度、屈服强度和极限抗拉强度也随Al成分的增加而降低，而伸长率不变。
2011年首次尝试用SLM法制备Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，未能获得无裂纹的试样。2014年，L?ber等使用粉末尺寸范围为45 ~ 63 μm、层厚为75 μm的TNM合金进行参数研究。建造室充满高纯度氩气，残余氧水平≤200ppm是保证。通过调整激光功率和扫描速度来稳定加工过程，获得最佳的单珠形貌。通过改变扫描速度(50-100,350-2100 mm/s)和激光功率(50-250 W)，建立了TNM合金的加工图。在低功率和低扫描速度下观察到凝固过程中由于高冷却速率而产生的明显裂纹。
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