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本文研究了金屬線(xiàn)激光增材制造中Ti6Al4V墻體的轉(zhuǎn)移模式效應(yīng)。關(guān)鍵詞：激光線(xiàn)材制造工藝 動(dòng)態(tài)監(jiān)控 墻面質(zhì)量

在航天、航海、武器制造等大型制造中，要達(dá)到一定的效力，所需的材料是非常龐大的。用傳統(tǒng)的方式制造，機(jī)器不僅體積大，而且很重。不僅不利于作業(yè)，更容易出現(xiàn)各種故障。

多年來(lái)，科研人員一直致力于在制造飛機(jī)、輪船等過(guò)程中使用輕質(zhì)和高電阻金屬合金的增材制造，這就不得不提到一種特殊的鈦合金——Ti6Al4V。這是一種國(guó)標(biāo)鈦合金，它兼有α及β兩類(lèi)鈦合金的優(yōu)點(diǎn)。塑性好，可耐熱 （可400℃在長(zhǎng)期工作）、抗腐蝕能力很強(qiáng)。

Ti6Al4V墻體圖片

2021年3月份，《Manufacturing Letters》雜志公布了一項(xiàng)研究成果。成果顯示，合適的制造設(shè)置和工藝參數(shù)對(duì)制備15層鈦合金壁具有良好的幾何和顯微性能。本文就通過(guò)分析熔池、激光源和焊絲三者之間的相互作用，從而建立穩(wěn)定、光滑的沉積過(guò)程。

研究過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

?監(jiān)測(cè)金屬傳遞動(dòng)力學(xué)有助于了解變量設(shè)置。

?表面張力傳遞方式能產(chǎn)生平滑、規(guī)則的沉積。

?這種轉(zhuǎn)移方式可以增強(qiáng)幾何壁和金屬組織。

實(shí)驗(yàn)的初衷

增材制造是一種制造技術(shù)，通過(guò)在基板上添加額外的材料來(lái)構(gòu)建3D組件。航空航天行業(yè)市場(chǎng)可以從輕質(zhì)和高電阻金屬合金的增材制造中獲得很大的好處。作為粉末的替代品，可以使用金屬絲作為原料，目的是在由熱源產(chǎn)生的熔池中熔化金屬絲。與粉末沉積相比，線(xiàn)材增材制造可實(shí)現(xiàn)更高的沉積速率、具有可忽略的材料浪費(fèi)的全致密組件、更少的健康和安全預(yù)防措施，并且可以使用激光或廉價(jià)和商用弧焊機(jī)進(jìn)行。

不同類(lèi)型的熱噴涂絲及帶芯絲的制作方法。

熱噴涂進(jìn)料材料以重量為基礎(chǔ)的大部分都用作絲材。這是因?yàn)閷?shí)際上所有基于陰極保護(hù)的防腐材料都是鋅和鋁。金屬絲火焰噴涂和電弧噴涂是僅使用金屬絲材料的工藝。導(dǎo)線(xiàn)可以是實(shí)心導(dǎo)線(xiàn)，也可以是管內(nèi)含有各種增材的管狀導(dǎo)線(xiàn)，稱(chēng)為帶芯導(dǎo)線(xiàn)，見(jiàn)上圖。實(shí)心線(xiàn)材是通過(guò)從材料中拉絲來(lái)制造的，這些材料將使這種線(xiàn)材制造過(guò)程成為可能。近幾年來(lái)，帶芯電線(xiàn)的使用變得越來(lái)越普遍。這些金屬絲可以由高合金鐵、鎳或鈷基合金制成。其原理是一種薄而有韌性的金屬，如不銹鋼帶，用于制備管狀線(xiàn)材，該金屬管中填充有合金元素和/或硬質(zhì)顆粒，如WC或其他碳化物，然后將帶材加工成帶芯線(xiàn)材。

研究人員不僅開(kāi)發(fā)了一份工藝圖，預(yù)測(cè)不同建筑條件下的工藝行為，同時(shí)證明了送絲系統(tǒng)和基板之間的相對(duì)位置影響傳輸模式。在研究中，人們發(fā)現(xiàn)，在激光加工過(guò)程中，隨著功率和送絲速度的增加或焊接速度的降低，晶粒尺寸增大。

送絲過(guò)程的實(shí)驗(yàn)裝置。

比如，研究人員研制了一種實(shí)驗(yàn)室送絲裝置，用于送絲ALM的基礎(chǔ)研究。它主要由一個(gè)最大功率為3.5 kW的Trumpf HLD 3504 Nd:YAG桿激光器(二極管泵浦)、一個(gè)Weldaix送絲器和一個(gè)Kuka KR 100 HA(高精度)六軸機(jī)器人組成。在一個(gè)打開(kāi)的盒子中，從其基座處永久性地浸沒(méi)氬氣，將具有超低間隙(ELI級(jí))的Ti-6Al-4V焊絲沉積在Ti-6Al-4V襯底上。（見(jiàn)上圖）

此外，對(duì)工藝監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)調(diào)整，以調(diào)整刀具和工件之間的相對(duì)位置，并補(bǔ)償工藝條件中不需要的大偏差。Liu 等人使用光學(xué)光譜儀分析了不同焊接條件下羽流中的等離子體發(fā)射強(qiáng)度和電子溫度，從而推斷出工藝穩(wěn)定性的條件。

熱絲和冷絲熔覆層的截面和表面形貌隨激光功率和掃描速度的比值而變化。

如上圖，低電壓不能加熱接近熔點(diǎn)的導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)從基板上掠開(kāi)。另一方面，過(guò)高的電壓會(huì)熔化導(dǎo)線(xiàn)尖端，導(dǎo)致電弧。在導(dǎo)線(xiàn)末端形成的液滴可能會(huì)爆炸，導(dǎo)致飛濺。

總之，工藝設(shè)置已經(jīng)證明影響沉積的特征，并確保過(guò)程穩(wěn)定和零件的良好質(zhì)量。需要探索一種系統(tǒng)有效的過(guò)程開(kāi)發(fā)方法。

本文通過(guò)實(shí)時(shí)觀察熔池動(dòng)態(tài)，科學(xué)地調(diào)整工藝設(shè)置和工藝參數(shù)，對(duì)線(xiàn)材激光增材制造(WLAM)工藝過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，以保證過(guò)程更加穩(wěn)定。目前的工作可以很好地理解過(guò)程，并為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界提供了一種方法，以更好地科學(xué)批判過(guò)程的意識(shí)來(lái)調(diào)整和改進(jìn)他們的實(shí)施過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

該裝置包括一個(gè)Binzel推推送絲系統(tǒng)，一個(gè)三軸計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)機(jī)床和一個(gè)激光系統(tǒng)。

層壓試驗(yàn)是在一個(gè)測(cè)試模具上進(jìn)行的，該模具使用了一種早期的賽車(chē)機(jī)頭工具。這些試驗(yàn)允許開(kāi)發(fā)一個(gè)立管板，該立管板將添加到每個(gè)工具的法蘭上，以生成一個(gè)圓形的加強(qiáng)邊緣。在CNC布線(xiàn)過(guò)程中，該功能通常作為周界“槽”并入工具中，但由于CNC成本和時(shí)間問(wèn)題，在這些工具上被刪除。

激光器由一個(gè)波長(zhǎng)為1070nm的光纖激光器組成，最大功率為3kw。光學(xué)排列由200毫米的聚焦透鏡和100毫米的準(zhǔn)直光學(xué)組成，導(dǎo)致光學(xué)放大系數(shù)為2。由于輸送纖維的芯徑為0.15 mm，束腰處的光斑直徑約為0.3 mm。金屬絲沉積的襯底由一個(gè)6mm的Ti6Al4V板組成，用四個(gè)夾子固定在工作臺(tái)上。該過(guò)程使用兩個(gè)過(guò)程攝像機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。一個(gè)離軸攝像機(jī)用于監(jiān)測(cè)熔池動(dòng)態(tài)和金屬轉(zhuǎn)移，而另一個(gè)攝像機(jī)與激光光學(xué)同軸，檢查激光束路徑和饋電方向之間的對(duì)齊。一個(gè)排煙器被用來(lái)從這個(gè)過(guò)程中提取氣體排放。

使用Lax-Wendroff格式對(duì)例14.2的數(shù)值解，C = 0.5， Δx = 0.02

上圖為為L(zhǎng)ax Wendroff格式正弦函數(shù)的精確數(shù)值解。觀察兩個(gè)正弦曲線(xiàn)的數(shù)值解相對(duì)于精確解是不相的。解與精確曲線(xiàn)之間的相位差是正弦曲線(xiàn)波長(zhǎng)的函數(shù)。同時(shí)，耗散也是波長(zhǎng)的函數(shù)。不同波長(zhǎng)的正弦函數(shù)以不同的速度傳播。我們知道任何周期函數(shù)都可以表示為傅里葉級(jí)數(shù)級(jí)數(shù)中不同的項(xiàng)以不同的速率傳播也經(jīng)歷一定的耗散。這會(huì)導(dǎo)致原始函數(shù)的失真。

所采用的材料為退火態(tài)的Ti6Al4V鈦合金?；瘜W(xué)成分和熱物性(導(dǎo)熱系數(shù)和熔化溫度)列于表1。

表1 接收材料的化學(xué)成分和熱物理性能(重量%)。

研究進(jìn)行了初步的板珠試驗(yàn)，如激光功率(200、300、500、800、1000 W)、光斑直徑(1,1.4 - 2 mm)、移動(dòng)速度(5,8,10 mm/s)和送絲速度(10,13,15 mm/s)。

采用穩(wěn)定條件構(gòu)建多層線(xiàn)性墻體。本文展示的15層墻，P = 300 W,BD = 1 mm, TS 8 mm/s, WFS 15 mm/s。

所有的珠子從相同的方向沉積，并根據(jù)之前沉積層的高度相應(yīng)地向上移動(dòng)，設(shè)定一定的高度增量(z-offset)。特別的是，在搭建最終演示器的墻體時(shí)，z偏移量為0.7 mm。送絲角度設(shè)置為與水平面30°。

檢查珠子，垂直于沉積方向橫截面，用標(biāo)準(zhǔn)研磨程序拋光，并用Keller的試劑溶液(1%HF, 1.5% HCl, 2.5% HNO3和95% H20)進(jìn)行化學(xué)蝕刻。用光學(xué)顯微鏡觀察微球的形態(tài)。分別對(duì)基材、墻體基材和墻體建筑方向進(jìn)行了維氏顯微硬度測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

過(guò)程動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

圖1 不同的過(guò)程動(dòng)力學(xué)在a)表面張力驅(qū)動(dòng)沉積和b)液滴沉積。

圖1顯示了在現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程監(jiān)測(cè)期間捕獲的兩種不同的圖像。送絲方向、激光-材料相互作用機(jī)制和金屬傳遞動(dòng)力學(xué)等因素影響著加工過(guò)程的穩(wěn)定性和工件的質(zhì)量。在加工前設(shè)置正確的配置也是至關(guān)重要的，因?yàn)樵诤附z尖端和熔池邊緣之間的相對(duì)位置對(duì)于工藝穩(wěn)定性和確保沉積對(duì)噪聲、熔池振蕩和動(dòng)態(tài)干擾的容忍是至關(guān)重要的。

圖1a顯示了在表面張力模式下進(jìn)行的沉積，也可以稱(chēng)為光滑沉積。金屬絲在表面張力的驅(qū)動(dòng)下連續(xù)進(jìn)入熔池，與固體邊界上的附著力相比，其粘結(jié)力占主導(dǎo)地位。由此產(chǎn)生的沉積的頂表面將是光滑的，沿路徑的高度和寬度不變，這是由沉積層的均勻性所證實(shí)的。圖1b為向熔池中添加液滴的沉積過(guò)程，可稱(chēng)為重力金屬轉(zhuǎn)移。金屬絲尖端被熔化并不斷增長(zhǎng)，直到其重量超過(guò)了內(nèi)聚力，并與金屬絲的其余部分分離，并在焊接池中合并。

液界面和液體分子受力平衡。

上圖顯示了作用于表面分子的合力(也稱(chēng)為內(nèi)聚力)是朝向主體方向的一個(gè)非零量。液體的分子由于引力而結(jié)合在一起。在液體的大部分中，對(duì)任何分子的所有引力之和平均為零。這是為了增加表面積而必須抵消的力。這個(gè)過(guò)程所消耗的能量叫做表面能。水滴是球形的，因?yàn)樵诮o定的體積下，在所有形狀中，球體的表面積最小。液體的表面張力和表面自由能相等，而固體的表面張力和表面自由能不相等。

首選的是表面張力模式，因?yàn)樗试S實(shí)現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的過(guò)程，平滑地沉積每一層，這是保證精度和低粗糙度的組件的基礎(chǔ)。這一條件源于金屬絲相對(duì)于熔池和激光束的合適相對(duì)位置，以及能量供應(yīng)和填充金屬體積之間的良好平衡。焊絲在熔池前緣饋電，不與激光束相互作用，在熔池區(qū)域熔化，能量分布較高，熔滴沉積規(guī)律。

幾何和材料特性

圖2 用于演示的墻a)和橫截面形態(tài)學(xué)b)。

圖2顯示了在表面張力驅(qū)動(dòng)條件下，作為演示墻建造的方面。圖2a為試件壁。鍍層光滑，無(wú)不規(guī)則性，減少了后處理加工的需要。圖2b為管壁的橫截面，可以觀察到其冶金和幾何特征。幾何形狀在幾十毫米范圍內(nèi)呈規(guī)則形狀。

沉積體的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)各向異性(圖3b)。在沉積過(guò)程中，晶粒呈柱狀，沿最高的熱梯度方向生長(zhǎng)。晶粒中含有小晶粒片層狀α + β組織，在管壁構(gòu)建過(guò)程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。在垂直于建筑物的方向上可以觀察到不同的邊界，這可以用金屬凝固過(guò)程中的等溫轉(zhuǎn)變來(lái)解釋。

圖3 維氏顯微硬度(a)和顯微組織(b-d, 40×)。

圖3a顯示了基材和壁材的維氏顯微硬度。母材的硬度達(dá)到327 HV(微觀結(jié)構(gòu)如圖3d所示)。在基片壁根處，硬度升高到373 Hv，熔合區(qū)形成，迅速冷卻，形成非平衡顯微組織，其中包含較小的α片層，并出現(xiàn)馬氏體相變(圖3c)。在構(gòu)建方向上，硬度達(dá)到峰值434 HV，即最終壁高的一半，此時(shí)凝固過(guò)程中形成了間隙雜質(zhì)，馬氏體相變過(guò)程中晶粒尺寸較小。

用所開(kāi)發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)得到的一個(gè)掃描表面的例子。黑線(xiàn)表示覆蓋在表面上的沉積路徑。外輪廓珠的圓角邊緣錯(cuò)誤地復(fù)制。

上圖顯示了用所開(kāi)發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)獲得的三維輪廓的一個(gè)例子。該表面覆蓋有機(jī)器人的沉積路徑。從圖中可以看出，所有區(qū)域的外輪廓珠的高度提取都不正確。因此，即使在受控的情況下，外輪廓珠也以公稱(chēng)工藝參數(shù)沉積，即當(dāng)熔體池到達(dá)輪廓珠時(shí)，ILC關(guān)閉。

一些有利于后續(xù)繼續(xù)研究的結(jié)論

? 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池和金屬轉(zhuǎn)移模式有助于了解過(guò)程動(dòng)態(tài)。

? 表面張力轉(zhuǎn)移模式使金屬沉積光滑而有規(guī)律。

? 對(duì)采用表面張力模式得到的15層壁材的幾何性能和金屬組織進(jìn)行了分析和評(píng)述。

來(lái)源：Transfer mode effects on Ti6Al4V wall building in wire laseradditive manufacturing，Manufacturing Letters,doi.org/10.1016/j.mfglet.2021.03.001

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