金屬絲電弧定向能量沉積（DED）-通常稱為金屬絲電弧增材制造（WAAM）是一種新興的制造技術(shù)，它將傳統(tǒng)電弧焊接的概念轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化制造方法，并能夠設(shè)計(jì)和加工具有三維幾何形狀的大型部件。雖然許多不同的焊接技術(shù)，如氣體金屬極電弧焊（GMAW）和等離子弧焊（PAW），原則上可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但由于鎢電極和基底之間的穩(wěn)定電弧，將鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）轉(zhuǎn)換為WAAM工藝，可以減少飛濺，實(shí)現(xiàn)金屬轉(zhuǎn)移。在加工過(guò)程中，焊槍的計(jì)算機(jī)輔助移動(dòng)允許以1–10 kg/h的速度逐層沉積焊道，從而實(shí)現(xiàn)替代添加劑制造（AM）方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)能力和能力。盡管傳統(tǒng)GTAW的基本原理適用于WAAM工藝，但與該AM技術(shù)相關(guān)的重復(fù)熱循環(huán)導(dǎo)致的熱傳遞梯度導(dǎo)致凝固特性和微觀結(jié)構(gòu)演變，與使用傳統(tǒng)焊接工藝處理的材料明顯不同。傳統(tǒng)多道焊的工藝可以被描述為與使用WAAM技術(shù)處理材料類似，然而，WAAM中沒有基材導(dǎo)致制造過(guò)程中的熱傳遞主要通過(guò)先前沉積的層和基底發(fā)生。多線進(jìn)給系統(tǒng)的引入為WAAM材料的設(shè)計(jì)和加工提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。控制單個(gè)金屬絲的進(jìn)給速率的能力不僅能夠使用市售的標(biāo)準(zhǔn)金屬絲對(duì)具有廣泛化學(xué)成分的材料進(jìn)行原位合金化，而且能夠處理在整個(gè)材料中表現(xiàn)出漸變或圖案狀成分變化的成分梯度材料（CGM）。兩種設(shè)計(jì)策略都可用于加工具有特定位置化學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的獨(dú)特組合的材料。然而，CGM需要在局部和宏觀長(zhǎng)度尺度上進(jìn)行表征，特別是在強(qiáng)度和抗斷裂性方面，這是用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的關(guān)鍵特性。雖然通過(guò)激光金屬沉積（LMD）和激光粉末床融合（LPBF）等其他AM技術(shù)制造CGM是可行的，但WAAM工藝具有較高的沉積速率等優(yōu)點(diǎn)，并能夠在單層內(nèi)改變成分。

高強(qiáng)度與重量比、優(yōu)異的耐腐蝕性和良好的焊接性等性能組合使許多鋁合金成為汽車、航空航天和國(guó)防工業(yè)中的主要材料。此外，這些行業(yè)通常需要從AM技術(shù)的設(shè)計(jì)自由中受益的三維幾何結(jié)構(gòu)。盡管近年來(lái)已經(jīng)使用WAAM成功地加工了各種系列的鋁合金，例如Al-Cu（2xxx系列）、Al-Si（4xxx系列），在凝固過(guò)程中，鋁氧化物的容易形成以及合金元素與污染物（例如碳?xì)浠衔锘蛩郑┑南嗷プ饔檬沟弥圃鞜o(wú)氣孔、雜質(zhì)和裂紋的部件具有挑戰(zhàn)性。此外，由于電弧產(chǎn)生的高溫，熔池表面的峰值溫度可能超過(guò)沸點(diǎn)，因此蒸汽壓力可能高于大氣壓，從而增加了處理鋁合金的復(fù)雜性。例如，4xxx系列的合金——它們?cè)谌?/span>80%以上的鋁制品中使用——可能存在縮孔（由不同元素和相的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致）和凝固裂紋形式的缺陷。然而，Langelandsvik等人最近的工作表明，WAAM AlSi12可加工至<1%的孔隙率，這與傳統(tǒng)的加工工藝（如砂和鋼模鑄造）相當(dāng)。重要的是，與鑄造材料相比，由于WAAM Al-Si合金加工過(guò)程中的高冷卻速率而形成的精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)通常會(huì)導(dǎo)致優(yōu)異的機(jī)械性能。雖然強(qiáng)度傾向于各向同性，但與正交（水平）試樣相比，平行（垂直）于構(gòu)建方向測(cè)試的試樣的延性通常降低約20-35%。在含有較少Si的Al合金中，這種差異明顯較小，這表明除了工藝參數(shù)外，用于加工的Si的量可能影響各向異性。雖然多線原位合金化成功地用于處理AlSi7Mg和AlSi12饋線（使用雙線冷金屬轉(zhuǎn)移（CMT）系統(tǒng)）并制造化學(xué)均勻的AlSi10Mg合金，但據(jù)作者所知，它尚未用于制造CGM。

在此，新南威爾士大學(xué)Bernd Gludovatz團(tuán)隊(duì)首次使用雙進(jìn)料GTAW系統(tǒng)加工WAAM梯度Al-Si合金，從而證明了利用這種添加劑制造技術(shù)加工大型Al-Si組件的可行性，并對(duì)其成分進(jìn)行了特定位置的修改。我們使用市售的饋線，可以處理位于Al-Si相圖亞共晶區(qū)域內(nèi)的材料。迄今為止，尚未研究變形和破壞特征，特別是Si濃度對(duì)WAAM加工材料微觀結(jié)構(gòu)形成和機(jī)械性能的影響。因此，我們沿著材料的構(gòu)建高度表征了微觀和介觀結(jié)構(gòu)特征，并評(píng)估了在兩個(gè)正交方向（平行于構(gòu)建方向和垂直于構(gòu)建方向）上，強(qiáng)度和抗斷裂性方面的機(jī)械性能如何隨著Si濃度的變化而變化。我們的研究結(jié)果表明，增加Si濃度會(huì)影響強(qiáng)度和延性，但對(duì)成分梯度Al-Si合金的斷裂抗力影響有限。此外，與延性相比，WAAM生產(chǎn)的CGM的斷裂韌性相對(duì)各向同性，并且始終高于鑄造材料。這使得WAAM處理的Al-Si合金能夠用于需要特定位置機(jī)械性能的各種應(yīng)用。相關(guān)成果以題“Strength and fracture resistance of in-situ alloyed compositionally-graded Al-Si processed by dual-wire arc directed energy deposition”發(fā)表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860422006807

圖1.（a）雙饋電線GTAW系統(tǒng)；（b）最終的Al-Si梯度材料；（c）使用WAAM的成分分級(jí)鋁硅合金制造示意圖（紅色虛線表示焊槍的擺動(dòng)）；（d）拉伸和C（T）樣品相對(duì)于構(gòu)建方向的取向參考。

圖2.（a）WAAM Al-Si材料的介觀結(jié)構(gòu)的3D視圖；（b）熔池邊界附近的SE-SEM圖像；顯示Si顆粒（c）來(lái)自熔池區(qū)域和（d）在熔池邊界內(nèi)的放大SE-SEM圖像；（e）BSE-SEM圖像顯示元素對(duì)比度；（f–g）（e）插圖所示掃描區(qū)域的EDS元素映射。

圖3.沿構(gòu)建方向從光學(xué)發(fā)射光譜獲得的化學(xué)分析，理論化學(xué)濃度用虛線表示；Si濃度讀數(shù)在距離襯底約12毫米(±0.0215 wt%)處的小誤差使該位置的誤差條無(wú)法與符號(hào)區(qū)分開來(lái)。插圖（a–c）顯示了相應(yīng)區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙率（黃色圓圈）。圖中所示的相對(duì)密度是用阿基米德原理測(cè)量的。（d） 顯示了在ZY平面中獲得的光學(xué)顯微照片，并且（e）顯示了沿著構(gòu)建方向的相應(yīng)硬度圖。

圖4.取自（a1–4）頂部、（b1–4）中部和（c1–4）底部區(qū)域的Al和Si的OM、EBSD和EDS圖。（紅色和綠色分別表示Al和Si）。

圖5.從（a）底部、（b）中部和（c）頂部區(qū)域水平（X）和垂直（Z）測(cè)試的樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。還顯示了：在（d）水平和（e）垂直方向上測(cè)試時(shí)三個(gè)區(qū)域的比較；從（f）底部、（g）中部和（h）頂部區(qū)域垂直測(cè)試樣品的斷裂表面；以及（i）來(lái)自從頂部區(qū)域測(cè)試的樣品的OM圖像，顯示了在垂直測(cè)試樣品中主要沿著熔池邊界發(fā)生的失效。

圖6.（a）從現(xiàn)場(chǎng)拉伸試驗(yàn)中獲得的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，該試驗(yàn)對(duì)取自建筑頂部區(qū)域的水平樣品進(jìn)行了中間階躍加載。（b）與整體應(yīng)變相比，α-Al和共晶Al-Si區(qū)域在兩個(gè)不同位置的局部應(yīng)變。在加載的（c，d）之前和最后階段（e，f）拍攝的頸縮區(qū)域的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)圖像。

圖7.Al-Si梯度結(jié)構(gòu)材料不同區(qū)域的裂紋擴(kuò)展阻力曲線（R曲線）。關(guān)于（a）頂部、（b）中部和（c）底部區(qū)域的C（T）樣本的不同取向的R曲線比較。關(guān)于不同Si濃度的R曲線比較（d），裂紋生長(zhǎng)垂直于構(gòu)建方向。（g）不同區(qū)域的組合平均R曲線。（h）K_JIc值相對(duì)于Si濃度。（i）試樣位置和裂紋擴(kuò)展方向示意圖。

圖8.（a）顯示從疲勞預(yù)裂紋區(qū)到過(guò)載失效區(qū)斷裂特征變化的顯微圖。（b，c）過(guò)載斷裂表面的放大SE-SEM圖像。

圖9.沿B、M和T區(qū)域的（a–c）熔池邊界和（d–f）熔池內(nèi)部共晶Si的尺寸比較。

圖10.（a）原位拉伸試驗(yàn)最后階段獲得的顯示頸縮區(qū)域塑性變形的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)圖像。（b，c）顯示滑移帶和裂紋萌生的高分辨率SE-SEM圖像。黃色箭頭表示沿兩相界面的裂紋。（d）KAM圖顯示了α-Al和共晶Al-Si邊界附近的位錯(cuò)停滯。（e）變形機(jī)制示意圖。

圖11.（a）SE-SEM圖像顯示了裂紋尖端之前的微裂紋形成。紅色虛線表示裂紋尖端的輪廓，黃色箭頭表示微裂紋。（b，c）OM圖像顯示了來(lái)自T區(qū)域的ZX樣品的裂紋路徑分析。

雙絲電弧增材制造（WAAM）用于Al-Si的原位合金化，其化學(xué)成分沿構(gòu)建高度梯度分布。研究了改變Si濃度對(duì)微觀和細(xì)觀結(jié)構(gòu)以及硬度、拉伸應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)和裂紋擴(kuò)展阻力曲線（R曲線）行為方面的力學(xué)性能的影響。根據(jù)此研究的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1.使用具有AlSi5和AlSi12導(dǎo)線的雙WAAM系統(tǒng)，得到具有以下梯度化學(xué)成分的Al-Si合金∼ 6.5–9.5 % Si濃度。整個(gè)構(gòu)建方向上的化學(xué)分析表明，所獲得的組合物與理論濃度分布計(jì)算非常一致，從而確認(rèn)原料的適當(dāng)混合和工藝的可行性。

2.微觀和細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析表明，α-Al枝晶和共晶Al-Si的體積分?jǐn)?shù)受Si濃度的控制，Si含量的增加導(dǎo)致形成更寬的枝晶結(jié)構(gòu)，共晶相的體積分?jǐn)?shù)更大。

3.兩個(gè)正交方向的拉伸應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試顯示強(qiáng)度隨Si濃度增加而增加，而無(wú)論Si濃度如何，與水平測(cè)試方向相比，沿構(gòu)建方向測(cè)試的樣品顯示出較低的破壞應(yīng)變。強(qiáng)度和延性的各向異性隨著Si濃度的增加而增加。

4.原位拉伸試驗(yàn)表明，塑性變形時(shí)，由于α-Al枝晶和共晶Al-Si的局部應(yīng)變變形能力不匹配，沿α-Al樹枝晶和共晶體Al-Si的界面以微裂紋的形式開始破壞。

5.斷裂韌性結(jié)果在48–51 MPa√m范圍內(nèi)，并且對(duì)Si濃度和測(cè)試取向的影響很小。這與Si顆粒在其界面處的脫粘引起的裂紋萌生以及主要控制裂紋擴(kuò)展的相應(yīng)微裂紋有關(guān)。