本文研究了金屬線激光增材製造中Ti6Al4V牆體(ti) 的轉移模式效應。關(guan) 鍵詞：激光線材製造工藝 動態監控 牆麵質量

在航天、航海、武器製造等大型製造中，要達到一定的效力，所需的材料是非常龐大的。用傳(chuan) 統的方式製造，機器不僅(jin) 體(ti) 積大，而且很重。不僅(jin) 不利於(yu) 作業(ye) ，更容易出現各種故障。

多年來，科研人員一直致力於(yu) 在製造飛機、輪船等過程中使用輕質和高電阻金屬合金的增材製造，這就不得不提到一種特殊的鈦合金——Ti6Al4V。這是一種國標鈦合金，它兼有α及β兩(liang) 類鈦合金的優(you) 點。塑性好，可耐熱 （可400℃在長期工作）、抗腐蝕能力很強。

Ti6Al4V牆體(ti) 圖片

2021年3月份，《Manufacturing Letters》雜誌公布了一項研究成果。成果顯示，合適的製造設置和工藝參數對製備15層鈦合金壁具有良好的幾何和顯微性能。本文就通過分析熔池、激光源和焊絲(si) 三者之間的相互作用，從(cong) 而建立穩定、光滑的沉積過程。

研究過程中，研究人員發現以下規律：

•監測金屬傳(chuan) 遞動力學有助於(yu) 了解變量設置。

•表麵張力傳(chuan) 遞方式能產(chan) 生平滑、規則的沉積。

•這種轉移方式可以增強幾何壁和金屬組織。

實驗的初衷

增材製造是一種製造技術，通過在基板上添加額外的材料來構建3D組件。航空航天行業(ye) 市場可以從(cong) 輕質和高電阻金屬合金的增材製造中獲得很大的好處。作為(wei) 粉末的替代品，可以使用金屬絲(si) 作為(wei) 原料，目的是在由熱源產(chan) 生的熔池中熔化金屬絲(si) 。與(yu) 粉末沉積相比，線材增材製造可實現更高的沉積速率、具有可忽略的材料浪費的全致密組件、更少的健康和安全預防措施，並且可以使用激光或廉價(jia) 和商用弧焊機進行。

不同類型的熱噴塗絲(si) 及帶芯絲(si) 的製作方法。

熱噴塗進料材料以重量為(wei) 基礎的大部分都用作絲(si) 材。這是因為(wei) 實際上所有基於(yu) 陰極保護的防腐材料都是鋅和鋁。金屬絲(si) 火焰噴塗和電弧噴塗是僅(jin) 使用金屬絲(si) 材料的工藝。導線可以是實心導線，也可以是管內(nei) 含有各種增材的管狀導線，稱為(wei) 帶芯導線，見上圖。實心線材是通過從(cong) 材料中拉絲(si) 來製造的，這些材料將使這種線材製造過程成為(wei) 可能。近幾年來，帶芯電線的使用變得越來越普遍。這些金屬絲(si) 可以由高合金鐵、鎳或鈷基合金製成。其原理是一種薄而有韌性的金屬，如不鏽鋼帶，用於(yu) 製備管狀線材，該金屬管中填充有合金元素和/或硬質顆粒，如WC或其他碳化物，然後將帶材加工成帶芯線材。

研究人員不僅(jin) 開發了一份工藝圖，預測不同建築條件下的工藝行為(wei) ，同時證明了送絲(si) 係統和基板之間的相對位置影響傳(chuan) 輸模式。在研究中，人們(men) 發現，在激光加工過程中，隨著功率和送絲(si) 速度的增加或焊接速度的降低，晶粒尺寸增大。

送絲(si) 過程的實驗裝置。

比如，研究人員研製了一種實驗室送絲(si) 裝置，用於(yu) 送絲(si) ALM的基礎研究。它主要由一個(ge) 最大功率為(wei) 3.5 kW的Trumpf HLD 3504 Nd:YAG杆激光器(二極管泵浦)、一個(ge) Weldaix送絲(si) 器和一個(ge) Kuka KR 100 HA(高精度)六軸機器人組成。在一個(ge) 打開的盒子中，從(cong) 其基座處永久性地浸沒氬氣，將具有超低間隙(ELI級)的Ti-6Al-4V焊絲(si) 沉積在Ti-6Al-4V襯底上。（見上圖）

此外，對工藝監控係統進行了改進，並實現現場自動調整，以調整刀具和工件之間的相對位置，並補償(chang) 工藝條件中不需要的大偏差。Liu 等人使用光學光譜儀(yi) 分析了不同焊接條件下羽流中的等離子體(ti) 發射強度和電子溫度，從(cong) 而推斷出工藝穩定性的條件。

熱絲(si) 和冷絲(si) 熔覆層的截麵和表麵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的導線，導致導線從(cong) 基板上掠開。另一方麵，過高的電壓會(hui) 熔化導線尖端，導致電弧。在導線末端形成的液滴可能會(hui) 爆炸，導致飛濺。

總之，工藝設置已經證明影響沉積的特征，並確保過程穩定和零件的良好質量。需要探索一種係統有效的過程開發方法。

本文通過實時觀察熔池動態，科學地調整工藝設置和工藝參數，對線材激光增材製造(WLAM)工藝過程進行監控，以保證過程更加穩定。目前的工作可以很好地理解過程，並為(wei) 工業(ye) 界和學術界提供了一種方法，以更好地科學批判過程的意識來調整和改進他們(men) 的實施過程。

實驗過程

該裝置包括一個(ge) Binzel推推送絲(si) 係統，一個(ge) 三軸計算機數控(CNC)機床和一個(ge) 激光係統。

層壓試驗是在一個(ge) 測試模具上進行的，該模具使用了一種早期的賽車機頭工具。這些試驗允許開發一個(ge) 立管板，該立管板將添加到每個(ge) 工具的法蘭(lan) 上，以生成一個(ge) 圓形的加強邊緣。在CNC布線過程中，該功能通常作為(wei) 周界“槽”並入工具中，但由於(yu) CNC成本和時間問題，在這些工具上被刪除。

激光器由一個(ge) 波長為(wei) 1070nm的光纖激光器組成，最大功率為(wei) 3kw。光學排列由200毫米的聚焦透鏡和100毫米的準直光學組成，導致光學放大係數為(wei) 2。由於(yu) 輸送纖維的芯徑為(wei) 0.15 mm，束腰處的光斑直徑約為(wei) 0.3 mm。金屬絲(si) 沉積的襯底由一個(ge) 6mm的Ti6Al4V板組成，用四個(ge) 夾子固定在工作台上。該過程使用兩(liang) 個(ge) 過程攝像機進行監控。一個(ge) 離軸攝像機用於(yu) 監測熔池動態和金屬轉移，而另一個(ge) 攝像機與(yu) 激光光學同軸，檢查激光束路徑和饋電方向之間的對齊。一個(ge) 排煙器被用來從(cong) 這個(ge) 過程中提取氣體(ti) 排放。

使用Lax-Wendroff格式對例14.2的數值解，C = 0.5， Δx = 0.02

上圖為(wei) 為(wei) Lax Wendroff格式正弦函數的精確數值解。觀察兩(liang) 個(ge) 正弦曲線的數值解相對於(yu) 精確解是不相的。解與(yu) 精確曲線之間的相位差是正弦曲線波長的函數。同時，耗散也是波長的函數。不同波長的正弦函數以不同的速度傳(chuan) 播。我們(men) 知道任何周期函數都可以表示為(wei) 傅裏葉級數級數中不同的項以不同的速率傳(chuan) 播也經曆一定的耗散。這會(hui) 導致原始函數的失真。

所采用的材料為(wei) 退火態的Ti6Al4V鈦合金。化學成分和熱物性(導熱係數和熔化溫度)列於(yu) 表1。

表1 接收材料的化學成分和熱物理性能(重量%)。

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

采用穩定條件構建多層線性牆體(ti) 。本文展示的15層牆，P = 300 W,BD = 1 mm, TS 8 mm/s, WFS 15 mm/s。

所有的珠子從(cong) 相同的方向沉積，並根據之前沉積層的高度相應地向上移動，設定一定的高度增量(z-offset)。特別的是，在搭建最終演示器的牆體(ti) 時，z偏移量為(wei) 0.7 mm。送絲(si) 角度設置為(wei) 與(yu) 水平麵30°。

檢查珠子，垂直於(yu) 沉積方向橫截麵，用標準研磨程序拋光，並用Keller的試劑溶液(1%HF, 1.5% HCl, 2.5% HNO3和95% H20)進行化學蝕刻。用光學顯微鏡觀察微球的形態。分別對基材、牆體(ti) 基材和牆體(ti) 建築方向進行了維氏顯微硬度測試。

實驗結果

過程動態評價(jia)

圖1 不同的過程動力學在a)表麵張力驅動沉積和b)液滴沉積。

圖1顯示了在現場過程監測期間捕獲的兩(liang) 種不同的圖像。送絲(si) 方向、激光-材料相互作用機製和金屬傳(chuan) 遞動力學等因素影響著加工過程的穩定性和工件的質量。在加工前設置正確的配置也是至關(guan) 重要的，因為(wei) 在焊絲(si) 尖端和熔池邊緣之間的相對位置對於(yu) 工藝穩定性和確保沉積對噪聲、熔池振蕩和動態幹擾的容忍是至關(guan) 重要的。

圖1a顯示了在表麵張力模式下進行的沉積，也可以稱為(wei) 光滑沉積。金屬絲(si) 在表麵張力的驅動下連續進入熔池，與(yu) 固體(ti) 邊界上的附著力相比，其粘結力占主導地位。由此產(chan) 生的沉積的頂表麵將是光滑的，沿路徑的高度和寬度不變，這是由沉積層的均勻性所證實的。圖1b為(wei) 向熔池中添加液滴的沉積過程，可稱為(wei) 重力金屬轉移。金屬絲(si) 尖端被熔化並不斷增長，直到其重量超過了內(nei) 聚力，並與(yu) 金屬絲(si) 的其餘(yu) 部分分離，並在焊接池中合並。

液界麵和液體(ti) 分子受力平衡。

上圖顯示了作用於(yu) 表麵分子的合力(也稱為(wei) 內(nei) 聚力)是朝向主體(ti) 方向的一個(ge) 非零量。液體(ti) 的分子由於(yu) 引力而結合在一起。在液體(ti) 的大部分中，對任何分子的所有引力之和平均為(wei) 零。這是為(wei) 了增加表麵積而必須抵消的力。這個(ge) 過程所消耗的能量叫做表麵能。水滴是球形的，因為(wei) 在給定的體(ti) 積下，在所有形狀中，球體(ti) 的表麵積最小。液體(ti) 的表麵張力和表麵自由能相等，而固體(ti) 的表麵張力和表麵自由能不相等。

首選的是表麵張力模式，因為(wei) 它允許實現一個(ge) 穩定的過程，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。這一條件源於(yu) 金屬絲(si) 相對於(yu) 熔池和激光束的合適相對位置，以及能量供應和填充金屬體(ti) 積之間的良好平衡。焊絲(si) 在熔池前緣饋電，不與(yu) 激光束相互作用，在熔池區域熔化，能量分布較高，熔滴沉積規律。

幾何和材料特性

圖2 用於(yu) 演示的牆a)和橫截麵形態學b)。

圖2顯示了在表麵張力驅動條件下，作為(wei) 演示牆建造的方麵。圖2a為(wei) 試件壁。鍍層光滑，無不規則性，減少了後處理加工的需要。圖2b為(wei) 管壁的橫截麵，可以觀察到其冶金和幾何特征。幾何形狀在幾十毫米範圍內(nei) 呈規則形狀。

沉積體(ti) 的微觀結構呈現各向異性(圖3b)。在沉積過程中，晶粒呈柱狀，沿最高的熱梯度方向生長。晶粒中含有小晶粒片層狀α + β組織，在管壁構建過程中發生馬氏體(ti) 轉變。在垂直於(yu) 建築物的方向上可以觀察到不同的邊界，這可以用金屬凝固過程中的等溫轉變來解釋。

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。母材的硬度達到327 HV(微觀結構如圖3d所示)。在基片壁根處，硬度升高到373 Hv，熔合區形成，迅速冷卻，形成非平衡顯微組織，其中包含較小的α片層，並出現馬氏體(ti) 相變(圖3c)。在構建方向上，硬度達到峰值434 HV，即最終壁高的一半，此時凝固過程中形成了間隙雜質，馬氏體(ti) 相變過程中晶粒尺寸較小。

用所開發的測量係統得到的一個(ge) 掃描表麵的例子。黑線表示覆蓋在表麵上的沉積路徑。外輪廓珠的圓角邊緣錯誤地複製。

上圖顯示了用所開發的測量係統獲得的三維輪廓的一個(ge) 例子。該表麵覆蓋有機器人的沉積路徑。從(cong) 圖中可以看出，所有區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，外輪廓珠也以公稱工藝參數沉積，即當熔體(ti) 池到達輪廓珠時，ILC關(guan) 閉。

一些有利於(yu) 後續繼續研究的結論

• 實時監測熔池和金屬轉移模式有助於(yu) 了解過程動態。

• 表麵張力轉移模式使金屬沉積光滑而有規律。

• 對采用表麵張力模式得到的15層壁材的幾何性能和金屬組織進行了分析和評述。

來源：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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