Ti-6Al-4V合金電弧熔絲增材的組織性能研究進展

夏玉峰，滕海灝，張 雪，鄭德宇，權國政

(重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044)

Ti-6Al-4V合金是20世紀50年代研發出的一種α+β型鈦合金，由于其密度低、高溫力學優良等優勢，被廣泛應用于機翼翼梁、起落架支撐肋等飛機關鍵零部件的制造，成為國產大飛機輕量化、大型化和長壽化發展歷程中不可缺少的關鍵材料[1-2]。Ti-6Al-4V合金存在鍛造溫度區間窄、高溫組織性能對生產環境敏感、成型阻力大等工藝特性，傳統工藝生產大型航空鈦合金結構件呈現制造周期長、生產成本高的特點，設備損耗大，鈦合金產品一次成形合格率低[3-4]。近年來，增材制造技術(additive manufacturing，AM)的發展為復雜鈦合金構件成型瓶頸的突破提供了全新的思路。增材制造技術是將熔融金屬按特定路徑逐層沉積凝固，獲得近凈成形零件的一種技術[5-6]。增材制造技術無需配套零件模具，生產速度快，設備通用性高，材料利用率高，目前已獲得了國內外學者的廣泛關注[7-10]。

圖1 電弧熔絲增材制造技術原理圖[11]Fig. 1 Schematic illustration of wire arc additive manufacturing technology[11]

1 電弧熔絲增材制造發展歷程

電弧熔絲增材制造工藝的研究始于20世紀20年代。1925年美國的Bake申請了世界上第一個電弧熔絲增材制造工藝專利[15]。以電弧為熱源，在外加氣體保護下堆積熔融金屬，制造出了第一個電弧熔絲增材制造的花托和裝飾性收納籃(如圖2所示)。20世紀70年代初期，德國Krupp公司等開始研制利用埋弧焊工藝制造大尺寸的全焊縫金屬構成的大型規則零件，標志著電弧熔絲增材制造工藝開始進入快速發展時期,但由于制造設備精度的限制，該階段的電弧熔絲增材制造工藝只能制造形狀簡單、精度要求不高的大型金屬零件。進入20世紀八九十年代后期，計算機輔助設計與制造技術的快速發展，使該工藝的發展進入全新時期。Ribeiro等將CAD 設計軟件與電弧熔絲增材設備相結合，設計出世界上首套電弧熔絲增材智能快速成型系統，并基于該系統生產出一個形狀完好、表面較為光滑的金屬花瓶。該零件的成功生產也標志著電弧熔絲增材制造工藝發展進入自動化、智能化時代。進入新世紀，隨著電弧熔絲增材制造工藝與制造設備的不斷改進優化，該技術也開始被運用于航空復雜結構件的制造。目前，羅爾斯羅伊斯公司成功地運用該工藝完成鈦合金航空發動機高溫機匣及鋁合金飛機機翼肋板等復雜航空構件的制造。

圖2 電弧熔絲增材制造金屬花托和裝飾性收納籃[15]Fig. 2 The first torches and decorative storage baskets formed by wire arc additive manufacturing[15]

但是，零件的成功試制并不意味著電弧熔絲增材制造工藝已經實現大規模投入工業應用，該工藝仍處于關鍵技術研發階段。為實現電弧熔絲增材制造工藝的大規模應用，降低航空大型鈦合金、鋁合金結構件的生產周期與制造成本，還應解決以下共性問題：

2)制造過程實時監控與反饋控制技術研發。焊接電流電壓、送絲速度、焊槍角度、保護氣體種類及濃度等的多個因素均可能對電弧熔絲增材制造構件內部質量和成形精度造成顯著影響。因此，制造過程實時監控與反饋控制技術的研發對增材制件質量與精度的提高有重要意義。Ouyang等[18]將CCD視覺傳感引入增材制造過程，實現了對MIG電弧熔絲增材過程電弧長度的控制。Kwak等[19]使用結構光傳感器與紅外攝像機實現了對增材制造過程沉積層形貌與溫度的監測。胡曉東[20]在離子弧增材制造過程中使用雙攝像頭傳感系統實現了對焊接熔池的實時監控。熊俊[21]則利用雙被動視覺傳感系統實現了對熔敷層寬度和噴嘴到熔敷層上表面距離的實時檢測。然而，現有實時監控與反饋系統仍無法實現對焊接過程的全程監控與參數實時調控。提高電弧增材制造構件質量需在此方面加大研發力度。

3)增減材復合制造技術的創新研發。為提高增材制造試樣的成型精度，國內外研究機構將不同的增、減材制造工藝進行集成，開發出了多種類型的復合制造系統[22]。目前，主要有2種方式，一種是將焊接設備與數控機床復合；另一種是將焊接設備與多自由度機器人復合。張海鷗等[23]將離子電弧增材成形與銑削光整減材工藝相結合，突破了電弧增材制件表面粗糙度大的這一關鍵瓶頸問題。Song等[24]將數控銑削加工設備與熔化極氣體保護電弧增材制造設備相結合，其原理如圖3所示，并成功運用該技術制造注塑模具，證實了電弧熔絲增減材復合技術的可行性與發展前景性。

圖3 電弧增材成形銑削光整減材復合工藝原理[24]Fig. 3 Process principle of wire arc additive manufacturing and milling[24]

2 電弧增材鈦合金組織及性能特征

圖4 (a)試樣外表面形貌；(b)試樣截面腐蝕圖；(c)試樣上層區域SEM圖；(d)試樣底端區域SEM圖[30]Fig. 4 (a) The surface morphology of the sample; (b) the corrosion section of the sample; (c) the SEM of the upper layer of the sample;(d) SEM of the bottom area of the sample[30]

圖5 送絲速度改變對Ti-6Al-4V合金微觀組織的影響[5]Fig. 5 Effect of variable wire feed speed on microstructure of Ti-6Al-4V alloy[5]

圖6 雙橢球熱源模型示意圖[33]Fig. 6 Schematic diagram of double ellipsoid heat source model

圖7 各工藝參數下鈦合金WAAM過程熔池溫度場模擬及實驗對照[32]Fig. 7 Simulation and experimental comparison of temperature field in WAAM process of titanium alloy under various process parameters[32]

圖8 鈦合金WAAM初始階段溫度梯度分布、液固轉變及初始 β 晶形核生長[11]Fig. 8 Temperature gradient distribution, liquid-solid transformation and initial β -nucleation growth of Ti-6Al-4V alloy at WAAM initial stage[11]

圖9 鈦合金WAAM穩定階段溫度梯度分布、液固轉變及初始 β 晶形核生長[11]Fig. 9 Temperature gradient schematic, liquid-solid transition and primary β-Ti nucleation-growth of Ti-6Al-4V alloy at WAAM stabilization stage[11]

圖10 鈦合金絲WAAM制造中初始 β-Ti 的實際與模擬結果對照及上下表面的晶粒<001>取向極圖[11]Fig. 10 Comparison of actual experiment and simulated results of primary β-Ti crystals of wire+arc additive manufactured Ti-6Al-4V alloy, and polar diagrams of <001> grain orientation deviations[11]

電弧增材制造鈦合金的力學性能是僅次于微觀組織的研究熱點內容之一。Wang等[5]對制件的力學各向異性進行了研究。如圖11所示，相較于沉積方向，鈦合金制件在室溫時沿焊接方向的抗拉強度(ultimate tensile strength, UTS)更高，而延伸率更低。該現象產生的原因是：試樣拉伸過程中晶界α在載荷穿過β晶粒晶界時提前失效。Baufeld則將鈦合金力學性能各向異性的產生歸因于外延的柱狀晶。相較于沉積方向，焊接方向的平均晶粒尺寸更小，晶界數目更多，而晶界是拉伸時的失效根源。

圖11 鈦合金試樣的力學性能參數[5]Fig. 11 Mechanical properties of titanium alloy[5]

由于合金多應用于飛機起落架、機翼翼梁等航空關鍵構件，對Ti-6Al-4V合金電弧熔絲增材制造試樣疲勞壽命、裂紋擴展的研究不可或缺。Wang等[5]對電弧熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金的高周疲勞壽命進行了研究，實驗結果如圖12所示。相較于鍛造生產試樣，采用電弧熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金的疲勞性能更優。這是因為相較于鍛造所獲雙態組織，采用電弧熔絲增材制造工藝加工鈦合金中α集束和α片層組織可以更有效地阻礙位錯運動，使鈦合金試樣的疲勞性能得到提高。Xie等[34]對電弧熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金試樣在循環載荷下微裂紋擴展速率(fatigue crack growth rate，FCGR)的各向異性進行了研究。結果表明：鈦合金層間微裂紋更易向等軸晶組織區域擴展。增材試樣的區域組織不均勻性將導致微裂紋在沉積方向上的擴展速率比焊接方向上高約5%。Zhang等[35]對增材制造后微觀組織、焊接殘余應力與試樣微觀裂紋擴展間的關系進行了研究，結果表明：相較于上層試樣沉積區所具有的α片層組織，裂紋在靠近焊接基臺的下層試樣等軸晶組織中的擴展路徑更平直，裂紋擴展速率更高。可對焊接工藝參數進行調整，提高組織中α片層組織相對含量從而提高試樣抗裂紋性能。

圖12 鈦合金試樣的高周疲勞壽命測試[5]Fig. 12 Fatigue test cycles to failure of titanium alloy[5]

3 調控工藝研究進展

實現對Ti-6Al-4V合金電弧熔絲增材制造后微觀組織的調控從而提高其力學性能，可對焊接工藝參數進行優化(如增加送絲速度、提高焊接電源脈沖頻率等)[22, 36-37]，也可引入外部物理輔助手段。何智[38]及許明方等[39]將超聲波輔助系統(ultrasonic vibration assisted，UVA)引入Ti-6Al-4V合金電弧熔絲增材制造，所獲鈦合金制件柱狀晶尺寸降低，針狀馬氏體數量增多，微觀組織性能顯著改善。一些學者則將電弧熔絲增材制造技術與壓力加工技術結合對增材后的鈦合金晶粒進行細化，其設備組成如圖13所示[40-41]。McAandrew等[42]應用層間軋制技術降低了鈦合金原始β晶粒的晶粒尺寸。Colegrove等[43]則對軋制方向與Ti-6Al-4V合金殘余應力、微觀組織影響關系進行了研究，如圖14所示。相較于未軋制對照組，加載75 kN載荷軋制后宏觀β晶粒形貌發生了改變，微觀α片層也發生了一定程度的破碎與細化，如圖15所示。Donoghue等[44]研究發現，對電弧熔絲增材制造后的Ti-6Al-4V合金試樣進行軋制能在一定程度上提高材料的位錯密度、空位密度和材料內部的存儲，而晶粒尺寸則隨著軋制力的增大而降低。

圖13 壓力加工與WAAM復合制造設備組成[40]Fig. 13 Manufacturing equipment of pressure processing and WAAM[40]

圖14 軋制前后α片層對比[43]Fig. 14 Comparison of α lamella before and after rolling[43]

采用適當的熱處理工藝能有效改善合金組織、降低焊后殘余應力。為提高Ti-6Al-4V合金組織、性能的均勻性，提高構件的塑性與疲勞壽命，可對試樣進行焊間層中冷卻、焊后保溫及增加合金元素等處理。徐國建等[45]研究發現對增材制造后的鈦合金試樣進行950～1 050 ℃正火處理可均勻化組織，獲得細小的針狀初生α相。Wu等[46]利用如圖16所示的裝置對沉積狀態中的鈦合金噴射氬氣、氮氣或二氧化碳氣體，該工藝可以控制鈦合金層間熱循環溫度，細化微觀晶粒尺寸、提升制件的表面硬度及光潔度并提高制造效率。勾健等[47]對焊后鈦合金實驗進行了600 °C、4 h的均質化保溫處理，提高了電弧增材鈦合金試樣的抗拉強度。Bermingham等[48]研究了添加微量元素B對電弧熔絲增材制造工藝制造Ti-6Al-4V及Ti-6Al-4V-0.13B兩種合金壓縮性能的影響。相較于沉積態，微量元素B的添加使其壓縮塑形提升約40%。

圖15 不同冷軋壓下力對Ti-6Al-4V合金微觀組織的影響[40]Fig. 15 Effect of cold rolling force on Ti-6Al-4V alloy WAAM microstructure[40]

圖16 WAAM層間氣冷聯合工藝設備組成[46]Fig. 16 Schematic diagram of the combined WAAM gas cooling process equipment[46]

4 結論與展望

電弧熔絲增材制造工藝具有材料利用率和沉積效率高、生產成本低、設備通用性強等優勢，在航空鈦合金大型部件生產中具有廣闊的應用前景，但在現有焊接工藝條件下存在焊后區域組織不均勻性，導致所加工試樣存在力學性能存在各向異性、結構相對簡單等缺陷，鈦合金電弧熔絲增材制造工藝距離大規模推廣應用還需進行較多的研究。

為解決鈦合金組織的不均勻性，可從減小焊接熱輸入方面進行研究。可將低熱輸入量焊接電源應用于Ti-6Al-4V合金電弧熔絲增材制造工藝，如使用CMT焊接電源(可實現降低回抽過程電流電壓并于CMT-PADV變極性復合脈沖模式下具有更低熱輸入量[49])、高脈沖頻率焊接電源(可通過高頻脈沖頻率振蕩焊接實現熔池冷卻速率的改變[50])、變極性的焊接電源(可通過改變電磁力及電弧壓力周期實現晶粒細化[51])等替換目前增材制造工藝常使用的MIG熱源及TIG熱源。降低電弧熔絲增材制造過程熱輸入可提高熔池冷卻速率，降低焊接過程熱積累，實現對合金柱狀β晶粒生長的抑制；同時有害氣體的溶解度也隨焊接熱輸入的減少而降低，最終能有效抑制增材制造試樣中微觀孔隙的形成。

Ti-6Al-4V電弧熔絲增材制造試樣微觀組織與力學性能的調控，還可通過增加外部物理輔助手段與先進焊接電源的復合實現。對電弧增材后的鈦合金試樣進行軋制可顯著降低晶粒尺寸、降低區域微觀組織差異從而提升材料在各方向上的力學均勻性。可將脈沖電源、CMT焊接電源與軋制、焊中層間冷卻、焊后錘擊等輔助配套工藝相結合，消除鈦合金焊后可能產生的粗大的β晶粒，減小焊接殘余應力從而提高鈦合金電弧熔絲增材產品的疲勞壽命。為解決電弧增材制件表面粗糙度大的缺陷，將電弧增材系統與數控銑削機床相結合是一個熱門研究方向。這些復合工藝需要開發更多的技術規范，如相應工藝設備的研發與改造、輔助工藝的作用位置及作用時間以及焊絲的狀態及表面情況等。

采用適當的熱處理工藝能有效改善合金組織、降低Ti-6Al-4V合金電弧熔絲增材制造后材料的殘余應力。目前所采用的增加微量元素及均質化處理均不能完全消除電弧熔絲增材制造后Ti-6Al-4V合金的微觀組織及力學性能的方向性差異。此外，在采用低熱量輸入電源下施加外部輔助物理手段后的電弧增材制造鈦合金組織與大熱量輸入下組織及織構強度并不相同，需研究新的熱處理工藝及設備實現對組織及力學性能的調控。

電弧熔絲增材技術在航空工業關鍵零部件快速成型生產制備方面具有獨特優勢，隨著設備的集成升級改造以及工藝的不斷積累與優化，電弧增材制造Ti-6Al-4V將會有更大的發展空間。