铝合金丝材电弧增材制造技术的研究与应用

丝材电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)实质上是一种基于电弧熔丝的堆焊技术,通过与计算机控制技术、机器人技术相结合而焕发出了新的生命力。WAAM技术因其高度柔性、技术集成度高、材料利用率高、设备成本低和生产效率高等优点,具有广阔的发展前景。目前国内外已有许多高校展开了WAAM技术的相关研究。本文介绍了电弧增材制造的定义、分类和特点,并对铝合金电弧增材制造技术的研究现状与应用进行了综述。

电弧增材制造技术研究进展

近年来,电弧增材制造技术已经被广泛应用于工业各个领域,因为它能够高效地利用材料,并且成形速度快,成形件的性能优良。电弧增材制造技术的应用已经取得巨大了成功,并且在金属零部件制造方面发挥了重要作用。国内外学者正在努力提高电弧增材制造的零件性能,并已取得了一些重要进展。基于上述条件,本文对当前的电弧增材制造装备的发展现状和电弧增材制造的成形件的耐腐蚀性检测展开综述,针对电弧增材制造技术中存在的挑战提出建议并总结。

基于电弧的多能场复合增材制造技术研究现状

增材制造主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。相较于其他增材制造技术和传统加工方式,电弧增材制造技术具有成形速度快、成本低、材料利用率高,以及成形件化学成分均匀且性能优良等优势,被广泛应用于大型金属零件制造。电弧增材制造因具有多样化的应用方向,可以满足不同标准零部件的加工制造,已经逐步成为当下主流的零部件加工技术。主要介绍了单一热源(如钨极)气体保护增材制造技术、等离子弧增材制造技术、熔化极气体保护增材制造技术、冷金属过渡增材制造技术和多能场辅助电弧复合增材制造技术,包括磁场-电弧、激光-电弧和电场-电弧等复合增材制造技术等。从宏观形貌、微观组织和力学性能3个角度出发,分析了工艺参数或工艺自身特性对增材制造成形件宏观形貌的影响,讨论了成形件显微组织演变机制及其力学性能,同时提出了单一热源与多能场辅助电弧增材制造技术在现阶段存在的问题,并给出了建议。

增材制造技术环境影响及其生命周期评价的研究进展

为了满足不同工业领域的需求,目前已有多种利用材料沉积方法进行增材制造(AM)的技术。其中,电弧增材制造(Wire and arc additive manufacturing,WAAM)是一种发展迅速的增材制造技术,具有低能耗、低碳和低成本的优势,适合大型复杂金属零部件成型。虽然增材制造技术在材料、工艺、机械装置和系统集成方面发展快速,但对环境的影响仍未引起重视。由于不同的制造工艺所需的材料和能源差异较大,一般来讲,增材制造技术相对于传统工艺的总体优势不明显。因此,除了对增材制造技术本身以及工艺性能等方面进行研究外,还需要分析不同工艺方法对环境的影响。生命周期评价(LCA)是一种对产品、工艺或活动从原材料获取到最终处理全过程的重要环境管理评价工具,被越来越多地运用到不同材料制造工艺的分析与研究中。但LCA在增材制造领域中的应用和研究还较少,目前研究主要集中在粉末增材制造工艺的能源消耗和成本方面,在能源对环境影响以及生命周期数据清单方面还很少,尚未见到对电弧增材制造技术的环境影响及评价的报道。因此,有必要对这一领域进行更深入的研究。本文介绍了生命周期评价的定义和技术框架,并基于生命周期评价方法,从确定目标和范围、清单分析、环境评价和结果解释四个方面,评述了电弧增材制造部件在整个生命周期中所有物质和能量对环境影响的研究现状。同时将增材制造技术与不同的工艺方法进行了对比,分析了不同增材制造技术对环境影响的特点和进展。

增材制造铜/钢双金属材料研究进展

铜/钢双金属材料具有力学强度高、物理化学性能优良等优势,在交通运输、电力能源和建筑工业等领域应用前景广阔。然而,传统熔铸工艺在制造铜/钢双金属材料时,容易在铜/钢界面处产生偏析现象,在一定程度上限制了铜/钢双金属材料的发展。与传统工艺相比,增材制造技术不仅能实现复杂加工零件的快速制造,而且在成形过程中较短的保温时间能缓和或消除异种金属材料界面产生的冶金缺陷,进而增强铜/钢双金属材料的力学性能。由于双金属材料是近年来的研究热点,有关增材制造铜/钢双金属材料的综述性文章较少,故综述了近年来激光、电子束及电弧增材制造技术制造铜/钢双金属材料的研究发展现状,分析了各技术的优缺点,并从制备方法、工艺参数及界面合金元素等角度,分析了影响材料界面组织性能变化的关键因素。发现在增材制造铜/钢双金属材料方面,目前激光增材制造技术主要应用于精度要求较高的小尺寸零部件,电子束增材制造技术适用于某些具有特殊性能的合金,如钛合金,而电弧增材制造技术适用于精度要求较低的大型复杂零部件。在铜/钢双金属材料增材制造过程中,界面处易形成显微组织分布不均匀、界面晶粒尺寸差异较大等现象,导致界面处产生应力集中,从而造成材料断裂失效。为解决上述难题,学者们已深入研究第二相形成机理,并采用优化界面处Cu-Fe比例和控制脆相金属间化合物等方式提高铜/钢双金属材料的性能。最后,对目前增材制造铜/钢双金属材料的研究发展现状进行了总结与展望,未来在冶金学和热力学方向上对铜/钢双金属材料仍需进行系统性理论研究,对双金属材料而言需要建立相关模拟数据库,以期为相关从业人员提供精细化指导建议。新型增材制造技术或复合增材制造技术的开发与应用都将成为未来增材制造铜/钢双金属材料研究的重点发展方向。