曹千卉， 曾才有， 張睿澤， 王海波 ， 齊鉑金， 從保強
1.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191
2.首都航天機械有限公司，北京 100076
3.北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100144
輕量化、一體化制造是航空航天領域高端裝備制造的發展方向，以航天飛行器為例，材料輕量化可帶來巨大的減重效益和飛行器技術指標的顯著提升［1-3］。鎂合金是目前實際工程應用中最輕的金屬結構材料，純鎂的密度（1.74 g/cm3）約為鋁的2/3（2.70 g/cm3），鋼（7.85 g/cm3）的1/4，是輕量化材料的理想選擇。此外，我國是鎂礦資源最豐富的國家之一，擁有世界上40%以上的鎂礦資源，具有鎂合金開發和應用的天然優勢［3-5］。通常條件下，鎂合金結構件的制造主要采用鑄造和塑性成形［6］。但鑄造過程中，鎂合金冷卻凝固時的收縮量大，且液態鎂合金容易氧化、燃燒，因此鎂合金鑄件內部容易形成縮松、縮孔和氧化夾雜等缺陷，導致鎂合金鑄件的一次合格率偏低；
而鎂合金的室溫塑性較差，其塑性成形一般在高溫下通過擠壓、軋制和鍛造成形，但鎂合金易形成基面織構，大大限制了其塑性成形能力［3］。因此，面對輕量化制造的迫切需求，鎂合金構件制造新工藝和新技術的研究成為國內外學術界和工程界的關注熱點和研究前沿。
增材制造（Additive manufacturing，AM）基于“離散+堆積”的原理，設計三維實體模型，逐層疊加二維平面，以高能束作為輸入熱源，通過熔化或燒結金屬材料（粉末或絲材）進行逐層疊加打印的方法，實現實體零件的直接制造。增材制造獲得的零件經過特定的后處理措施即可滿足零部件的使用性能要求，因此增材制造在生產效率及制造柔性上凸顯出技術優勢［7-9］。電弧增材制造技術（Wire-Arc Additive Manufacturing，WAAM）是一種基于絲材的定向能量沉積（Direct Energy Deposition，DED）方法，通常以電弧為熱源，通過不斷熔化金屬絲材并按照設計規劃的路徑逐層堆積成形，具有成形尺寸大、制造成本低、設備簡單、材料利用率和沉積效率高等優勢，成為大型金屬構件高質量快速成形的制造方法之一［10-11］。由于粉末狀態的鎂合金易在潮濕空氣中與水汽反應生成氫氣，同時釋放大量熱量引起燃燒或爆炸，在存儲和使用過程中存在較大的危險性［12］，因此，相較于以鎂合金粉末為原材料的其他增材制造技術，電弧增材制造技術使用鎂合金絲材，安全性顯著提高，且制造成本較低［13］，故成為目前鎂合金增材制造整體構件高效、可靠、安全的選擇［14］。
鎂合金具有密排六方的晶體結構，室溫下滑移系少，塑性較低，加工變形能力差，導致制備穩定可靠的鎂合金絲材較為困難［15］。目前針對鎂合金電弧增材制造技術的相關研究工作相對較少且尚處于起步階段，主要圍繞常見的AZ系列鎂合金采用非熔化極電弧（Gas Tungsten Arc，GTA）、熔化極電弧（Gas Metal Arc，GMA）、冷金屬過渡（Cold Metal Transfer，CMT）和等離子體電弧（Plasma Arc，PA）等電弧增材制造方法的基礎研究方面取得了一定的進展。基于此，本文梳理了近年來鎂合金電弧增材制造方面的相關研究工作，歸納總結了不同電弧增材制造工藝對鎂合金構件宏觀成形質量、冶金缺陷和組織性能的影響，最后指出鎂合金電弧增材制造需要深入研究的問題并對其未來發展前景進行了展望。
電弧增材制造作為一種快速近凈成形工藝，其成形質量直接決定材料利用率，影響沉積件的工程化應用。不同電弧增材制造技術的成形過程穩定性差異直接影響構件成形質量。目前，鎂合金電弧增材制造工藝主要有鎢極氣體保護（GTA）增材、熔化極氣體保護（GMA）增材、等離子電弧（PA）增材和冷金屬過渡（CMT）增材，如圖1所示［16］。這些工藝都存在電弧、熔滴過渡和熔池狀態難以控制的問題，國內外的相關研究從電弧—熔滴—熔池的熱物理過程穩定性入手，通過調控增材過程的熱輸入來實現精確成形，提高構件尺寸精度。
圖1 電弧增材制造（WAAM）分類原理［16］Fig.1 Classification principle of wire-arc additive manufacturing （WAAM）［16］
1.1 鎢極氣體保護電弧增材制造（GTA-AM）
鎢極氣體保護電弧增材制造是在氬氣等氣體保護下利用鎢極等非熔化極和母材之間產生電弧，熔化側邊輸送的金屬絲材并沉積到基板上從而實現增材制造［17］。GTA-AM工藝中鎢極作為電極，電子發射能力強，在增材過程中能夠保持穩定的弧長，焊接過程穩定，基本不會產生飛濺［18-19］。此外，GTA-AM熔化絲材的熱源主要為電弧熱，熔化過程更加穩定且易于控制，能夠提高成形精度，成為鎂合金電弧增材制造常用的工藝。北京理工大學GUO等人［20］通過控制工藝參數，研究了GTA-AM中的脈沖頻率對AZ31鎂合金增材構件表面形貌和成形尺寸的影響。研究發現，隨著脈沖頻率的增大，周期性魚鱗紋變得細密，試樣表面變得光滑，但脈沖頻率的增大加劇了熔池的攪拌程度，容易與熔池產生共振，導致試樣的成形寬度不穩定。
除了通過工藝控制過程穩定性之外，采用數值模擬也可為成形質量和精度提供前期理論支持。南京理工大學倪程等人［21］通過對電流、送絲速度、增材速度等工藝參數和熔覆層寬進行建模探索了各工藝參數對增材層寬的影響，并利用增材主要工藝參數和尺寸的數學模型優化了增材電流，根據電流優化值來控制構件層寬，提高AZ91鎂合金增材成形質量。
圖2 GTA-AM AZ31鎂合金增材件不同脈沖頻率的表面形貌和成形尺寸［20］Fig.2 Surface morphology and forming dimensions of the AZ31 magnesium alloy deposit fabricated by GTA-AM with different pulse frequencies［20］
1.2 熔化極電弧增材制造（GMA-AM）
熔化極電弧增材制造是在氬氣等氣體保護下利用金屬絲材和母材之間產生電弧，熔化絲材并沉積到基板上從而實現增材制造。GMA-AM工藝的優勢是絲材與電弧同軸、熔滴進入熔池的位置相對穩定、熔覆效率高，非常適合于短時間的大型構件制造［22-23］。然而，GMA-AM雖然熔滴過渡方式固定，但通過調節送絲速度來保證一定的弧長無法保證熔滴過渡質量的均勻性，導致成形精度不高。東京農工大學Takagi等人［24］通過調整其他工藝參數（焊接電流、送絲速度和焊槍的運動）來優化成形過程的穩定性，在保證單一沉積層一致性的基礎上得到AZ31鎂合金增材制造的GMA工藝窗口（見圖3a），并在最優參數下（電壓10 V、電流100 A、沉積速度800 mm/min）制備出缺陷盡可能少的AZ31鎂合金增材構件（尺寸40 mm×60 mm×35 mm）。
圖3 AZ31鎂合金單道GMA工藝窗口及增材構件Fig.3 GMA process window of AZ31 magnesium alloy single bead and the AZ31 magnesium alloy deposit［24］
1.3 冷金屬過渡電弧增材制造（CMT-AM）
GMA工藝的高沉積效率帶來的高熱輸入給成形穩定性帶來挑戰，增加了增材之后減材的加工余量，降低了材料的利用率［25］，因此在GMA基礎上開發出冷金屬過渡工藝（CMT）。該工藝將絲材運動與熔滴過渡過程進行了數字化協同控制，以絲材機械運動為輔助，實現了絲材回抽時的熔滴過渡，實現了小電流狀態下的短路過渡，大幅減小了熱輸入量。此外，焊絲回抽有助于熔滴與焊絲脫離從而避免了飛濺的產生，焊接過程穩定［26-27］。近年來，研究人員對CMT 鎂合金的成形工藝進行了廣泛研究。西北工業大學YANG等人［28］采用單一方向掃描的沉積策略，沉積了30層、高70 mm的AZ31鎂合金增材構件，隨著沉積層數的不斷增加，工件熱積累逐漸增加，不斷變化的散熱邊界導致熔池易發生失穩，進而導致沉積層液態金屬側流，出現塌陷現象。而WANG等人［29］將單一方向掃描轉變為往返雙向掃描的沉積策略，使沉積過程中的熱積累分布更均勻，成形質量更高。
1.4 等離子體電弧增材制造（PA-AM）
等離子體電弧增材制造是通過在鎢極和金屬之間建立等離子弧來熔化并連接金屬，具有能量密度高、熱源集中的特點，常用于難熔金屬構件的快速成形［30-31］。PA-AM工藝同樣存在電弧—熔滴—熔池間的強耦合及非線性時變交互作用下成形過程穩定性難以控制的問題。德克薩斯大學艾爾帕索分校HAN等人［32］通過改變電流和掃描速度來調控增材過程熱輸入，得到AZ91鎂合金單道沉積層的工藝窗口，如圖4所示，在電流（30～40 A）和送絲速度（<160 mm/min）下制備的樣品成形效果最佳。
圖4 AZ91鎂合金PA-WAAM工藝窗口［32］Fig.4 PA-AM process window of AZ91 magnesium alloy［32］
由于WAAM工藝逐層堆積的特點，金屬材料在制備過程中經歷了多次復雜的熱循環過程，導致微觀組織的不同區域具備不同的形貌特征，呈現出層中、層間不同顯微組織交替分布的特點。CMT-AM工藝不同沉積策略制備的AZ31鎂合金不同區域的顯微組織如圖5、圖6所示。可以看出，采用單一方向掃描的沉積策略制備的AZ31鎂合金底層區域為垂直柱狀枝晶，沿堆積方向逐漸變為變向的柱狀枝晶，包括α-Mg枝晶、枝晶間共晶相（Mg17Al12相和Al8Mn5相）和一些分散的Al8Mn5相，頂層區域為等軸枝晶。力學性能表現出明顯的各向異性，豎直方向的抗拉強度和屈服強度可達210 MPa和130 MPa，延伸率為10%，但水平方向的抗拉強度和屈服強度僅為150 MPa和70 MPa，延伸率為7%［28］。采用往返雙向掃描的沉積策略熱積累分布更加均勻，制備的AZ31鎂合金不同區域的組織差異性減弱，層中區域為細小的柱狀枝晶，層間熱影響區約占沉積層高度的1/2（約為700 μm），為不同尺寸的等軸晶，最大晶粒尺寸可達230 μm。力學性能的各向異性有所減弱，且水平方向要優于豎直方向［29］。
圖5 單一方向掃描沉積策略制備的AZ31鎂合金不同區域的顯微組織［28］Fig. 5 Microstructure in different regions of AZ31 magnesium alloys fabricated by CMT-AM process with single-direction scanning deposition strategy［28］
圖6 往返雙向沉積策略制備的AZ31鎂合金不同區域的顯微組織［29］Fig.6 Microstructure in different regions of AZ31 magnesium alloys fabricated by CMT-AM process with bi-directional deposition strategy［29］
組織與性能的關系可以直觀地反映顯微組織結構對性能的影響機理，更好地指導工藝參數的設定，達到調控組織、提高性能的目的［13］。針對WAAM工藝容易產生組織不均勻和力學性能各向異性等問題，西安交通大學FANG等人［33］通過控制增材過程參數來優化組織，提高性能。采用降低GTA-AM熔池高度的方法制備的AZ31鎂合金單壁件共105層，高度65 mm，沉積層僅0.6 mm高，構件底部、中部和頂部區域以及XOY和YOZ面均為等軸晶組織。北京航空航天大學CAO等人［34］從改進電弧熱源特性的角度來消除電弧增材制造過程中不同區域顯微組織的差異，采用自主研發的新型超音頻脈沖電弧作為熱源，即在GTA-AM工藝的基礎上引入頻率20 kHz以上的超音頻脈沖電流，通過對熔池進行高頻振蕩和攪拌，同樣可以制得具有全等軸晶組織和力學性能各向同性的增材構件，如圖7所示，晶粒平均尺寸約47 μm，呈隨機分布特征，織構較弱，無明顯擇優取向，有利于下一步的塑性變形加工。研究表明，對熔池進行高頻振蕩和攪拌，一方面可以依靠外界輸入的能量使晶核提前形成，另一方面可以使生長中的枝晶破碎，提供更多異質形核點來提高形核率，起到消除成分偏析、細化晶粒的效果，進而達到優化顯微組織、提高力學性能的目的。
圖7 超音頻脈沖電弧GTA-AM工藝制備AZ31鎂合金增材件的顯微組織［34］Fig.7 Microstructure of the AZ31 magnesium alloy deposit fabricated by ultrasonic frequency pulsed arc［34］
在AZ系列鎂合金中，AZ80、AZ91等合金的強度因鋁含量的增加而增加，析出強化效果明顯，在實際工程應用中具有巨大潛力。西南交通大學的占宇航［14］、GUO［35］等人通過調控工藝參數制備高性能AZ80鎂合金增材件，試驗發現，焊接電流過大，組織中會形成粗大的晶粒，而焊接速度過快會在組織內形成大量氣孔；
送絲速度的提高有助于緩解熔池過熱，細化組織；
層間溫度對強度的影響并不明顯。同樣，增材構件的不同區域顯微組織表現出差異（見圖8）：頂部為等軸枝晶，同時存在一定的枝晶偏析；
占據成形件大部分體積的中部區域為等軸晶；
底部由于熔池與基板之間存在較大的溫度梯度導致沿熔合線處柱狀晶外延生長，最后演變為柱狀枝晶。天津大學BI等人［36］對CMT-AM工藝制備的AZ91鎂合金增材件的組織和力學性能進行了研究，試樣由不同尺寸的等軸晶粒組成，通過規劃CMT工藝的掃描路線可以使熔池中的溫度分布更加均勻，顯著細化沉積層的晶粒尺寸，獲得比鑄造合金更好的性能。不同WAAM工藝制備鎂合金的力學性能對比如表1所示。
圖8 GTA-AM工藝制備AZ80鎂合金不同區域的顯微組織［35］Fig.8 Microstructure in different regions of AZ80 magnesium alloy fabricated by the GTA-AM process［35］
表1 WAAM工藝制備鎂合金的力學性能Table 1 Mechanical properties of magnesium alloys fabricated by the WAAM process
近年來，隨著鎂合金絲材擠壓-拉拔成形工藝的發展，電弧增材制造高性能稀土鎂合金成為輕質合金增材制造的前沿領域。稀土元素由于具有獨特的核外電子排布，且在鎂中有較大的固溶度，能夠有效提高鎂合金的強度及塑性變形能力，影響其導電、導熱性能，改善其耐腐蝕性能、高溫力學性能及摩擦磨損性能等［37-39］。
上海交通大學的WANG等人［40］采用GTA-AM工藝實現了Mg-4Y-3RE-0.5Zr合金的制備，對不同沉積層的顯微組織進行表征，研究發現隨著沉積高度的不斷提高，沉積層的冷卻速度逐漸降低，導致沉積層晶粒尺寸沿高度方向逐漸粗化，其顯微組織如圖9所示。此外，WAAM工藝多重熱循環的特點會對已沉積層形成“原位固溶”和“原位時效”的效果，沉積層底部的共晶組織在多重熱循環的作用下首先發生溶解，隨后稀土元素又在多重熱循環的作用下沉淀析出，在晶界和晶內形成了彌散分布的β＇和β1相。沉積層頂端組織主要由粗大的α-Mg枝晶和連續粗大的共晶組織組成，并未發現稀土沉淀相的存在。
圖9 GTA-AM工藝制備Mg-4Y-3RE-0.5Zr鎂合金的顯微組織［40］Fig.9 Microstructure of Mg-4Y-3RE-0.5Zr magnesium alloy fabricated by the GTA-AM process［40］
鎂合金較寬的凝固范圍和較高的收縮力［41］，加之增材過程中的熱積累和熱循環作用，使得鎂合金沉積件中會出現氣孔、縮孔、熱裂紋等內部缺陷，對構件的力學性能產生重要影響。氫在鎂合金中的溶解度隨溫度的降低而減小，當液體凝固時，所溶解氣體以分子狀態逐漸富集于固液界面前沿的液體中，形成氣泡。由于鎂合金的低密度和WAAM工藝冷卻速度快的特點，氣泡在凝固過程中來不及從熔池中逸出從而形成氣孔。通過對焊絲進行有效保護以及調整WAAM工藝參數可以控制熔池中的氣體逸出行為，減少氣孔產生。上海交通大學YING等人［42］對比了不同GTA-AM工藝參數對材料內部孔隙率的影響，在電壓12.5 V、電流130 A、送絲速度820 mm/min的工藝參數下可以獲得低孔隙率（0.029%）、晶粒細小的組織。北京航空航天大學CAO等人［34］通過改進電弧熱源，引入超音頻脈沖電弧對熔池進行振蕩和攪拌，調控凝固過程參數（如溫度梯度、凝固速度等）使熔池中氣體的逸出條件優于溶入條件，氣孔率低至0.003 5%，如圖10所示。
圖10 超音頻脈沖電弧GTA-AM工藝制備AZ31鎂合金增材件的氣孔分布［34］Fig.10 Pore distribution of the AZ31 magnesium alloy deposit fabricated by GTA-AM via ultrasonic frequency pulsed arc［34］
鎂合金WAAM工藝中熱裂問題也較為突出，主要原因是分布在晶界處的低熔點共晶化合物在受到較大收縮應力的情況下開裂形成熱裂紋［43］。這種微觀缺陷會降低鎂合金增材件的力學性能。通過優化WAAM工藝，在保證成形質量的情況下減少熱輸入可以減少熱裂紋的產生。天津大學和石家莊鐵道大學［29］研究了不同CMT-AM工藝參數下的電流波形和熔滴過渡的特點，更低熱輸入制備的AZ31鎂合金的熱裂缺陷有所減少。此外，還可以采取一些輔助措施如添加基板水冷裝置等來增加WAAM過程中的散熱，從而減少沉積過程中的熱積累，避免產生熱裂［43］。
以電弧增材制造技術為代表的整體結構構型制造工藝正成為實現下一代航空航天飛行器結構系統輕量化、高性能和多功能研制的有力保障。然而，目前針對鎂合金電弧增材制造技術仍有一些基礎理論需要完善，很多科學問題需要深入研究，實現應用技術的產業化還有很長的路要走。目前鎂合金電弧增材制造存在的問題以及今后需要重點關注的研究方向如下：
（1）高性能鎂合金絲材的開發與制備。鎂合金塑性變形能力差，絲材制備困難。目前市場上可靠穩定的絲材主要為AZ系列，具有高強度、耐熱耐蝕的優質稀土鎂合金絲材還很少。作為鎂合金電弧增材的上游制造環節，高性能鎂合金絲材的開發與制備技術應給予充分的重視，這對于鎂合金電弧增材制造的發展具有基礎性意義。
（2）新工藝實現鎂合金增材構件“控形/控性”的一體化。與其他金屬材料電弧增材制造過程相同，“控形/控性”一體化也是鎂合金電弧增材制造需要關注的重點，即宏觀控形和微觀控性。通過改進電弧熱源、調整工藝參數等方法提高電弧—熔滴—熔池的熱物理過程穩定性，宏觀上有利于提高成形質量，微觀上可以改變非平衡凝固狀態，實現形性一體可控。
（3）后處理措施優化構件性能。后處理可以消除內部缺陷、增強固溶和析出強化、降低殘余應力及變形、細化晶粒，是提高電弧增材制造構件性能的一種重要手段。因此，需要研究更多的后處理措施以及優化后處理工藝來提高鎂合金增材構件的性能。同時，后處理方法可以不局限在增材制造后的構件，在電弧增材過程中，采用諸如邊增材邊鍛壓、增-減材復合等方式實現“增—等—減”復合的高性能、高效率制造加工模式也是一種思路。
（4）鎂合金電弧增材制造基礎理論研究尚待完善。鎂合金電弧增材制造的發展和工程應用很大程度上取決于對鎂合金電弧增材制造過程中涉及的材料基礎問題的深入研究。針對鎂合金電弧增材過程中相關熱源能量輸入的調控模型、電弧/金屬交互作用行為及能量吸收機制、移動熔池約束的非平衡凝固行為及晶粒形態演化規律、內部冶金缺陷形成機制及力學行為等問題有待定量闡明。
隨著電弧增材制造技術的逐漸成熟，鎂合金電弧增材的優勢正日益凸顯。發展鎂合金電弧增材技術既是實現航空航天輕質高強合金構件整體化制造的迫切需求，也是充分發揮我國的鎂資源優勢，提升我國鎂合金產品研發與制造水平，加快實現向工業強國轉變的現實需要。
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