電弧熔絲增材制造鋁合金零件中氣孔的研究現(xiàn)狀

聶文忠，曾嘉藝，李曉萱，邱渭濠

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418)

0 引 言

鋁合金增材制造零件在汽車(chē)、船舶、航空航天領(lǐng)域的輕量化結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。金屬增材制造技術(shù)主要分為粉末床熔合法(Powder-Bed Fusion, PBF)和直接能量沉積法(Direct Energy Deposition, DED)，前者的典型技術(shù)有激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting, SLM)和電子束選區(qū)熔化(Electron Beam Melting, EBM)，后者的典型技術(shù)有激光近凈成形(Laser Engineered Net Shaping, LENS)和電弧熔絲增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM)[4]。與等材加工與減材加工相比，電弧熔絲增材制造生產(chǎn)周期短、材料利用率及設(shè)計(jì)自由度高。但是，由于電弧的高能量密度和材料本身的特性[5]，電弧熔絲增材制造鋁合金中會(huì)產(chǎn)生大量氣孔，而氣孔造成的應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展，造成其力學(xué)性能變差[6-7]。因此，電弧熔絲增材制造鋁合金中氣孔缺陷的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及解決方案成為其研究熱點(diǎn)。為了給致力于抑制和消除電弧熔絲增材制造鋁合金零件氣孔缺陷的研究者提供參考，作者對(duì)氣孔缺陷的形成原因、影響因素和改善方法進(jìn)行了綜述。

1 氣孔缺陷的形成原因

電弧熔絲增材制造鋁合金中氣孔缺陷通常由兩種機(jī)制共同作用而形成，一種是鋁合金液、固相中氫原子的溶解度差異，另外一種是鋁合金凝固收縮過(guò)程中液、固相之間的體積差異。

氫原子在每100 g液體純鋁中的最大溶解量為0.65 mL，而在每100 g固體純鋁中的最大溶解量為0.034 mL，由于液、固兩相之間的氫溶解度存在巨大差異，這成為導(dǎo)致電弧熔絲增材制造鋁合金零件中氣孔形成的主要原因[8]。在沉積凝固過(guò)程中，氫原子從固相中排出，經(jīng)液/固界面進(jìn)入液相，液相中含氫量不斷增加，當(dāng)不斷增加的氫原子超過(guò)液相的氫溶解度極限時(shí)，氫分子氣泡開(kāi)始形成[9]。由于鋁合金具有高導(dǎo)熱性，熔池從底部向中心線(xiàn)快速凝固，氣泡被凝固的金屬捕獲而形成氣孔[10]。

在電弧熔絲增材制造鋁合金的熔池凝固過(guò)程中，由于鋁合金液、固相之間的密度不同，凝固收縮和枝晶臂供液不足導(dǎo)致液、固相體積出現(xiàn)差異，從而造成收縮性氣孔的形成[9]。一方面，在熔池冷卻過(guò)程中，因?yàn)橐骸⒐滔嗟臒崾湛s系數(shù)不同，固相會(huì)以更高的速率收縮，當(dāng)液相有趨于與固相具有相同凝固速率的傾向時(shí)，拉應(yīng)力會(huì)超過(guò)與液/固相界面相關(guān)的表面張力，液、固相之間形成空隙。另一方面，隨著枝晶數(shù)量增多以及局部開(kāi)始凝固，液相的流動(dòng)阻力變大，從而形成收縮性孔洞[11]。

2 氣孔缺陷形成的影響因素

由表1可以看出，不同工藝條件下電弧熔絲增材制造鋁合金零件的力學(xué)性能表現(xiàn)出較大差異，這與組織中不同的氣孔率有一定關(guān)系。LI等[20]研究表明，不同工藝參數(shù)下電弧熔絲增材制造鋁合金零件具有不同的氣孔率，導(dǎo)致其硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率表現(xiàn)出較大的差異。

表1 不同工藝條件下電弧熔絲增材制造鋁合金零件的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of aluminum alloy parts by wire and arc additive manufacturingunder different process conditions

2.1 保護(hù)氣體

DING等[21]研究發(fā)現(xiàn)，保護(hù)氣體中水分所含有的大量氫原子會(huì)提高電弧熔絲增材制造鋁合金中氣孔形成的可能性，保護(hù)氣體流量可通過(guò)影響熔滴轉(zhuǎn)移過(guò)程和熔池形狀改變氣孔的形成概率。在電弧熔絲增材制造鋁合金過(guò)程中，有些保護(hù)氣體可能會(huì)與原材料發(fā)生反應(yīng)生成雜質(zhì)，導(dǎo)致零件中產(chǎn)生氣孔。LI等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下電弧熔絲增材制造鋁合金中含有大量片狀氮化物，這些片狀氮化物成為氣孔的形成位點(diǎn)，從而降低了零件的塑性和抗拉強(qiáng)度。電弧熔絲增材制造鋁合金中氣孔數(shù)與保護(hù)氣體的成分有關(guān)。許良紅等[22]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保護(hù)氣體為純氬氣時(shí)，電弧熔絲增材制造鋁合金中氣孔數(shù)為12個(gè)，而當(dāng)保護(hù)氣體為體積分?jǐn)?shù)30%氬氣+70%氦氣時(shí)，氣孔數(shù)為4個(gè)。NUEZ等[23]研究發(fā)現(xiàn)，與保護(hù)氣體為氬氣-氦氣二元混合氣體時(shí)相比，保護(hù)氣體為氬氣-氦氣-氧氣三元混合氣體時(shí)電弧熔絲增材制造鋁合金中的氣孔率更低，而且隨著氦含量的增加，熔池的流動(dòng)性增強(qiáng)，為氫的逸出創(chuàng)造了有利條件，氣孔率進(jìn)一步降低。JURI等[24]采用體積分?jǐn)?shù)97.5%氬氣和2.5%CO2的混合氣體作為保護(hù)氣體，電弧熔絲增材制造鋁合金的組織均勻，無(wú)明顯氣孔缺陷。

2.2 金屬絲材

金屬絲材表面的污染物不僅含有大量氫原子，而且會(huì)影響電弧熔絲增材制造過(guò)程中電弧的形狀，導(dǎo)致電弧燃燒不穩(wěn)定；不穩(wěn)定的電弧既會(huì)破壞保護(hù)氣氛的穩(wěn)定性，又會(huì)擾亂熔池，增加鋁合金熔融過(guò)程中熔池從外部吸收氫原子的概率，造成鋁合金中氣孔數(shù)量增多[25]。GU等[26]研究發(fā)現(xiàn)，電弧的高溫使絲材表面的油脂碳化形成碳化物，氣孔易在這些碳化物處形成，導(dǎo)致電弧熔絲增材制造鋁合金的氣孔率增加。

金屬絲材的表面粗糙度變化會(huì)影響熔池中的氫含量和電弧形狀，從而改變電弧熔絲增材制造鋁合金的氣孔率。金屬絲材表面粗糙度的降低會(huì)增加其表面積，為污染物的附著提供條件，從而導(dǎo)致氣孔率提高[25]。

金屬絲材中的合金元素也會(huì)影響電弧熔絲增材制造鋁合金的氣孔率[26]。金屬絲材中的合金元素不僅通過(guò)元素?fù)]發(fā)造成氣孔的產(chǎn)生，而且合金元素的不同也使氫溶解度有所差異，從而影響鋁合金中的氣孔數(shù)量[27]。TODA等[28]研究發(fā)現(xiàn)，2系鋁合金絲材增材制造的鋁合金零件中存在高密度的微孔，而使用純鋁絲材制造的零件其微孔密度要低得多，可見(jiàn)金屬絲材中合金元素會(huì)影響氣孔的形成。

2.3 焊接速度和送絲速度

焊接速度不同會(huì)使電弧熔絲增材制造鋁合金零件中氣孔數(shù)發(fā)生變化[29]。AZANAS等[30]研究發(fā)現(xiàn)，隨著焊接速度的降低，熔池流動(dòng)性變差，表面質(zhì)量降低，氣孔數(shù)量增加。ZHOU等[31]研究認(rèn)為，焊接速度增大后，雖然單位時(shí)間內(nèi)的熱輸入不變，但單位面積的熱輸入減少，熔池凝固速率增加，熔池深度變淺，從而抑制氣孔的產(chǎn)生。WANG等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在電弧熔絲增材制造鋁合金過(guò)程中，較低的送絲速度下形成的熔滴較大，熱輸入增加，導(dǎo)致晶粒尺寸明顯增大，氣孔率提高。

2.4 熱輸入

鋁合金的氫溶解度隨溫度的升高而增大，熱輸入越高，能夠吸收的氫原子也越多[33-34]。較低的熱輸入可以有效保留微觀組織中的一些異相粒子，這些異相粒子可以作為形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)細(xì)小晶粒的形成，而晶粒尺寸越小，形成氣孔的可能性越低[35-38]。ANYALEBECHI等[9]認(rèn)為，枝晶生長(zhǎng)與氣孔成核率之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，生長(zhǎng)的枝晶越少，氣孔成核率越高。熱輸入通過(guò)影響晶粒尺寸和枝晶的形成，改變電弧熔絲增材制造鋁合金零件中的氣孔率，進(jìn)而影響鋁合金零件的力學(xué)性能。WANG等[39-40]通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)降低熱輸入，使晶粒從等軸晶變?yōu)橹鶢罹?，氣孔的形態(tài)得到改善，數(shù)量減少。WU等[41]通過(guò)低頻脈沖電流減小電弧熔絲增材制造過(guò)程中的熱輸入，改善了鋁合金的顯微組織，減少了氣孔數(shù)量，提高了零件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。

合適的電流、電壓可保證在電弧熔絲增材制造中具有較低的熱輸入，并使零件中形成較少的氧化物，從而降低零件中的氣孔率[42]。較低的熱輸入不僅可以有效細(xì)化晶粒，而且可形成合適的熔池形狀，從而有助于改善氣孔缺陷[43]。雖然鋁合金表面氧化層對(duì)氫擴(kuò)散具有阻礙作用，同時(shí)很容易吸收空氣中的氫原子和水分，導(dǎo)致氫含量進(jìn)一步增加，但是交替極性的電弧對(duì)絲材末端有顯著的氧化物清洗效果，氧化物中的氣孔成核點(diǎn)被有效消除[44]。此外，可通過(guò)脈沖性電流促進(jìn)熔池的流動(dòng)性來(lái)降低電弧熔絲增材制造鋁合金中氣孔的數(shù)量[45]。

2.5 軋制、熱處理和層間冷卻工藝

軋制可有效消除電弧熔絲增材制造鋁合金零件的氣孔[46]。在軋制過(guò)程中，電弧熔絲增材制造鋁合金氣孔中的氫分子分解為氫原子融入到鋁合金中，氫原子可能被重新分配到位錯(cuò)或間隙晶格中，并通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到零件表面，由于彈性變形會(huì)破壞其表面氧化層，因此氫原子得以釋放[47-49]。GU等[46]研究發(fā)現(xiàn)，在軋制力為15 kN時(shí)，大部分小尺寸氣孔閉合，軋制力增大到45 kN時(shí)，大尺寸氣孔被壓平并得到有效閉合，僅剩下部分極小直徑的氣孔，說(shuō)明隨著外加軋制載荷的增加，氣孔缺陷得到有效消除。軋制能有效改善電弧熔絲增材制造鋁合金中的氣孔缺陷，從而提高零件的力學(xué)性能[50]。但是，軋制造成的零件彈性變形會(huì)導(dǎo)致氣孔重新出現(xiàn)[51]。

對(duì)于可熱處理的鋁合金，在高溫作用下，零件中會(huì)出現(xiàn)次生孔隙，通過(guò)遷移合并和奧斯特瓦爾德熟化(Ostwald Ripening，OR)，這些次生孔隙會(huì)形成氣孔，而且原氣孔形狀也會(huì)發(fā)生改變[30,49]。熱處理會(huì)影響電弧熔絲增材制造鋁合金零件的氣孔數(shù)[46]。在對(duì)電弧熔絲增材制造鋁合金零件進(jìn)行熱處理的過(guò)程中，大量的初生共晶相溶入鋁基體中，而共晶相顆粒熔化后留下的空位會(huì)使零件出現(xiàn)新氣孔；在位錯(cuò)釋放、空位遷移和局部應(yīng)變恢復(fù)等影響下，隨著溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱膨脹應(yīng)力會(huì)驅(qū)動(dòng)空位運(yùn)動(dòng)和合并，氣孔周?chē)幕w發(fā)生蠕變變形，空位和氫原子向局部最大氣孔的方向聚集，導(dǎo)致小氣孔變得更小，大氣孔變得更大[52-54]。GU等[46]認(rèn)為，在熱處理過(guò)程中，氫氣會(huì)從氣孔中釋放出來(lái)，這時(shí)孔內(nèi)壓力降低，為了維持孔內(nèi)壓力和表面能的平衡，氫氣孔通過(guò)改變氣孔形狀來(lái)降低表面能，而氣孔形狀對(duì)零件力學(xué)性能具有很大影響。經(jīng)熱處理后電弧熔絲增材制造鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高，斷后伸長(zhǎng)率下降[55-57]。

為了降低氣孔的形成概率而提高零件的力學(xué)性能，WU等[58]開(kāi)發(fā)了一套層間冷卻裝置應(yīng)用到電弧熔絲增材制造過(guò)程中，該裝置利用保護(hù)氣體覆蓋區(qū)域伴隨焊嘴移動(dòng)來(lái)進(jìn)行層間冷卻，可準(zhǔn)確控制層間溫度和熱循環(huán)過(guò)程，使成形層的表面氧化物減少，組織中的位錯(cuò)密度增加，有效改善電弧熔絲增材制造鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)和氣孔缺陷，使零件具有良好的力學(xué)性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

電弧熔絲增材制造鋁合金中的氣孔缺陷與液、固相中氫溶解度差異和鋁合金凝固收縮過(guò)程中液、固相體積差異有關(guān)，保護(hù)氣體、焊接速度、送絲速度、金屬絲材、熱輸入、軋制和熱處理等影響氣孔的形態(tài)和數(shù)量。改善工藝條件，可以減小液、固相中氫溶解度差異和鋁合金凝固收縮過(guò)程中液、固相體積差異，降低氣孔率，提高力學(xué)性能。為了進(jìn)一步改善電弧熔絲增材制造鋁合金零件的氣孔缺陷，今后的研究方向應(yīng)主要集中在：液、固相中氫溶解度差異和凝固收縮過(guò)程中液、固相體積差異是鋁合金的固有性質(zhì)，應(yīng)通過(guò)改變鋁合金的合金成分來(lái)有效改善氣孔缺陷；工藝參數(shù)應(yīng)隨工藝設(shè)備和制造條件進(jìn)行調(diào)整，保證電弧熔絲增材制造鋁合金的氣孔率最低，從而提高零件的力學(xué)性能；將電弧熔絲增材制造鋁合金的工藝條件標(biāo)準(zhǔn)化，這對(duì)于電弧熔絲增材制造鋁合金的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義；在電弧熔絲增材制造設(shè)備中集成傳感器，智能化控制電弧熔絲增材制造過(guò)程，是電弧熔絲增材制造的發(fā)展趨勢(shì)。