復(fù)合式增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展

熊曉晨 秦訓(xùn)鵬 華 林 胡澤啟 紀(jì)飛龍

1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430070 2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢，430070 3.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，武漢，430070

0 引言

金屬增材制造(additive manufacturing，AM)通過對三維數(shù)字化模型進(jìn)行分層切片、逐層疊加，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀、曲面型腔、梯度功能零部件的近凈成形，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，具有無模制造高柔性、短流程、高效率、低成本的特點(diǎn)，目前在航空航天、國防軍工、汽車制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

金屬增材制造過程為多物理場耦合的短時強(qiáng)非平衡冶金過程，增材層顯微組織以尺寸粗大的柱狀晶為主，成形制件內(nèi)易形成氣孔、夾渣、隔層、裂紋等冶金缺陷，嚴(yán)重影響其服役性能[1-5]。同時，增材制造過程中，基體強(qiáng)約束下微熔池快速凝固、非平衡固態(tài)相變、沉積層周期性急冷急熱、外部強(qiáng)烈機(jī)械約束，使制件內(nèi)存在復(fù)雜的凝縮應(yīng)力、組織應(yīng)力、熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，易造成變形與開裂，成形精度難以有效控制[3-6]。如何實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的高性能、高精度增材成形制造是長期以來業(yè)界重點(diǎn)研究和解決的問題。

將基于不同原理的制造方法與增材制造技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，形成兼具兩者優(yōu)勢的“AM+”復(fù)合式增材制造技術(shù)，可以有效提高制件的成形精度和性能。復(fù)合式增材制造通過引入力、超聲、電磁、激光等輔助能場，作用于增材制造過程和后處理階段，實(shí)現(xiàn)對增材制件從顯觀組織、介/宏觀缺陷到宏觀形性的多尺度調(diào)控，獲得性能優(yōu)異、成形精度高的增材制件，是金屬增材制造當(dāng)前正快速發(fā)展的重要方向，也是當(dāng)前最受學(xué)術(shù)界關(guān)注的先進(jìn)制造技術(shù)之一，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會將“特種能場輔助制造的科學(xué)原理”列為2020年十大前沿科學(xué)問題之一。

1 復(fù)合式增材制造分類

按外加輔助制造方法加工原理分類，復(fù)合式增材制造技術(shù)可分為三大類：一是與切削加工材料“去除”原理相結(jié)合的增減材復(fù)合制造技術(shù)；二是與軋制、鍛造、噴丸“等量”制造原理相結(jié)合的增等材復(fù)合制造技術(shù)；三是與超聲、電磁、激光等特種能場相結(jié)合的特種能場輔助增材制造技術(shù)。三大類技術(shù)中，外加輔助制造與增材制造存在工序分離式、交叉協(xié)同式和同步跟隨式三種復(fù)合形式。

2 增減材復(fù)合制造技術(shù)

2.1 研究現(xiàn)狀

金屬增材制造在零件成形精度和表面質(zhì)量控制方面存在較大的局限性，難以實(shí)現(xiàn)零件的直接高精成形。而基于材料“去除”原理的切削加工在零件成形精度和表面質(zhì)量控制方面表現(xiàn)優(yōu)異，且穩(wěn)定性好。因此，將增材制造與切削加工進(jìn)行復(fù)合，形成增減材復(fù)合制造技術(shù)，既可以發(fā)揮增材制造易構(gòu)形、易自動化控制、成形效率高、材料利用率高的優(yōu)勢，又可以利用切削加工成形精度高、表面質(zhì)量好的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)金屬零件高效、高精、高性能成形制造。

1994年，MERZ等[7]將熔融沉積成形與數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行集成，首次實(shí)現(xiàn)了增材、減材制造技術(shù)復(fù)合，成功制造了用于智能制造系統(tǒng)的308不銹鋼構(gòu)件，制件成形精度和表面質(zhì)量大幅度提高。隨后國內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)將不同原理的增材制造技術(shù)與銑削加工技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，開展了從工藝設(shè)計、軟件開發(fā)到設(shè)備研發(fā)等多方面的研究工作，成功開發(fā)了商品化的增減材復(fù)合式制造系統(tǒng)[8-14]。國外以德國德馬吉開發(fā)的 LASERTEC65-3D復(fù)合加工中心(圖1a)為代表，國內(nèi)以北京機(jī)電院機(jī)床有限公司開發(fā)的XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床為代表(圖1b)，采用增減材復(fù)合式制造系統(tǒng)成功試制了各類金屬零部件(圖2)，零件成形精度和表面質(zhì)量均得到大幅提高。

(b)北京機(jī)電院XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床圖1 增減材復(fù)合加工機(jī)床Fig.1 Additive and subtractive hybrid machine tools

圖2 德馬吉LASERTEC65-3D加工的各類金屬零件Fig.2 Various metal parts machined by Demagi LASERTEC 65-3D

增材、減材制造復(fù)合的形式有交叉協(xié)同式和工序分離式兩種。對于交叉協(xié)同式，增材、減材交替進(jìn)行，能有效減小成形過程中累積的誤差，有利于提高零件的成形精度[11]，但熱態(tài)下加工，刀具存在軟化傾向，導(dǎo)致磨損加劇，壽命縮短。同時，對于成形精度要求較高的零件，熱態(tài)下進(jìn)行切削加工，動態(tài)熱力耦合過程中，工件存在動態(tài)變形，需通過后續(xù)精加工才能保證零件最終成形精度。工序分離式則是在增材近凈成形的毛坯上進(jìn)行小余量的切削加工，以得到滿足精度要求的制件。因沉積過程熱積累較大，故冷卻至穩(wěn)態(tài)耗時長，整體成形效率較低。但冷態(tài)下切削加工，一次性成形精度較高。圖3所示為等離子沉積與銑削復(fù)合成形的金屬花瓶[14]，增材、減材協(xié)同交叉，成形制件表面粗造度可達(dá)2.32 μm，成形精度較高；圖4所示為選擇性激光熔化(SLM)與銑削復(fù)合成形的工業(yè)模具[13]，增材、減材協(xié)同交叉，成形模具幾何尺寸精度和表面質(zhì)量較好，相對密度高達(dá)99.2%；圖5所示為電弧增材(WAAM)與銑削復(fù)合成形的工業(yè)模具[11]，增材、減材工序分離，先通過增材獲得近凈成形的毛胚，后經(jīng)小余量的銑削加工達(dá)到零件最終成形精度，相比于傳統(tǒng)數(shù)控加工，時間縮短42%，成本降低28%。

圖3 等離子沉積與銑削復(fù)合成形的金屬花瓶[14]Fig.3 Metal vase formed by plasma deposition and milling[14]

圖4 SLM與銑削復(fù)合成形的工業(yè)模具[13]Fig.4 Industrial die by SLM and milling hybrid forming [13]

圖5 WAAM與銑削復(fù)合成形的工業(yè)模具[11]Fig.5 Industrial die by WAAM and milling hybrid forming[11]

2.2 關(guān)鍵問題

關(guān)于增減材復(fù)合制造技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，需重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問題：①不同增材及銑削復(fù)合工藝下，增材層顯觀組織、宏觀形性多尺度演化規(guī)律；②增材、減材復(fù)合過程中顯觀組織及宏觀形性的協(xié)同調(diào)控；③增材、減材過程中，動態(tài)變形影響下制件成形精度和表面質(zhì)量的控制；④不同切削介入時機(jī)、頻率下制件的成形效率和成形精度的平衡；⑤無冷卻液，高溫、高殘余應(yīng)力制造過程中刀具的軟化、黏連、磨損和延壽。

3 增等材復(fù)合制造技術(shù)

3.1 研究現(xiàn)狀

增減材復(fù)合制造能夠有效提高制件成形精度和表面質(zhì)量，但對制件顯觀組織和宏觀性能的調(diào)控效果并不顯著。基于軋制、鍛造、噴丸技術(shù)的增等材復(fù)合制造技術(shù)，在增材過程中或后處理階段，通過引入機(jī)械力能場作用于增材層，植入一定深度的塑性變形，改善增材層晶粒形態(tài)、顯微組織和應(yīng)力狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對制件宏觀力學(xué)性能的有效控制。

與軋制結(jié)合的增等材復(fù)合制造是研究最廣泛的復(fù)合式增材制造技術(shù)。軋制能產(chǎn)生大塑性變形，使增材層內(nèi)部缺陷被焊合，獲得組織致密、晶粒細(xì)化的增材組織，且增材層表面質(zhì)量較高，后續(xù)加工余量較小。現(xiàn)階段存在兩種工藝方法：一是軋制與增材交叉協(xié)同的層間冷軋；二是軋制對增材同步跟隨的隨焊熱軋。兩種工藝方法當(dāng)前均處于實(shí)驗(yàn)研究階段，相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備均由增材部分和具有特征功能的軋制部分組成，工作時需要大型壓力設(shè)備(多為氣壓或液壓設(shè)備)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)十千牛的恒定軋制力[15]，促使增材層發(fā)生連續(xù)均勻的塑性變形。

文獻(xiàn)[16-17]采用層間冷軋工藝(原理如圖6所示)，分別對低碳鋼、純鉭增材制件進(jìn)行逐層軋制處理，通過層間冷軋在沉積層上形成了一層具有一定深度的塑性變形層，變形層在后續(xù)沉積層反復(fù)熱循環(huán)作用下發(fā)生再結(jié)晶，沉積層晶粒發(fā)生細(xì)化，得到了隨機(jī)織構(gòu)的各向同性材料組織(圖7)；文獻(xiàn)[18]開發(fā)了一種新型異形軋輥(圖8)，該軋輥對具有寬壁和交叉特征的增材層晶粒細(xì)化效果顯著；文獻(xiàn)[19-22]對Ti-6Al-4V鈦合金開展了類似的研究，除了上述結(jié)論之外，還發(fā)現(xiàn)低塑性應(yīng)變下β晶組織細(xì)化和織構(gòu)產(chǎn)生的原因可能是，變形層在快速重復(fù)加熱時隨β晶的長大產(chǎn)生了退火孿晶，如圖9所示。

圖6 層間冷軋工藝原理圖[16]Fig.6 Schematic diagram of interlayer cold rolling process[16]

(b)層間冷軋工藝 圖7 沉積態(tài)與層間冷軋工藝晶粒形態(tài)及取向[17]Fig.7 Grain morphologies of as-deposited and interlayer cold rolling[17]

(a)薄壁用軋輥 (b)寬壁和交叉特征用軋輥圖8 新型異形軋輥[18]Fig.8 New profiled roller[18]

圖9 Ti-6Al-4V β晶的長大產(chǎn)生退火孿晶界[19]Fig.9 Growth of Ti-6Al-4V β crystal producing annealing twin boundaries[19]

文獻(xiàn)[23-25]采用層間冷軋工藝處理鋁合金增材制件，發(fā)現(xiàn)層間冷軋工藝可使增材層內(nèi)部微小氣孔發(fā)生閉合，組織更加致密，強(qiáng)度大幅提高，而塑性卻未受損。層間冷軋對增材層的強(qiáng)化機(jī)制，除了形變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化之外，合金元素還在塑性變形驅(qū)動下發(fā)生固溶強(qiáng)化。文獻(xiàn)[26]也發(fā)現(xiàn)軋制塑性變形能促進(jìn)合金元素固溶于增材基體，基體隨時間發(fā)生自然時效使得強(qiáng)度和硬度大幅提高。除此之外，還發(fā)現(xiàn)側(cè)向冷軋對鋁合金增材層殘余應(yīng)力的控制效果較垂向冷軋更好，能夠有效地控制殘余變形。

ZHANG等[27-28]開發(fā)了一種基于新型微軋輥的同步跟隨復(fù)合增材制造技術(shù)(HDMR)，微軋輥跟隨熔池對增材層進(jìn)行同步熱軋(圖10)，軋制介入的溫度可通過調(diào)節(jié)軋輥對焊槍的跟隨距離來改變，通過在奧氏體未再結(jié)晶溫度區(qū)控軋?zhí)岣吡瞬牧辖Y(jié)晶度，獲得了平均晶粒尺寸為7 μm的細(xì)晶組織，制件各力學(xué)指標(biāo)大幅提高(圖11)。

圖10 HDMR原理圖[27]Fig.10 Schematic diagram of HDMR[27]

圖11 隨焊熱軋工藝下增材層各向力學(xué)性能[28]Fig.11 Anisotropic mechanical properties of additive layers with welding with hot rolling[28]

與鍛造技術(shù)結(jié)合的增等材復(fù)合制造將效率高、組織性能優(yōu)異的鍛造成形與高柔性的增材制造進(jìn)行復(fù)合，發(fā)揮兩者優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高性能制件的近凈成形。當(dāng)前存在兩種復(fù)合類型，即與模鍛成形整體鍛造復(fù)合型和與機(jī)械錘擊局部鍛造復(fù)合型。

與模鍛成形整體鍛造結(jié)合的增等材復(fù)合制造多為工序分離式。MEINERS等[29]在預(yù)成形的鍛件上通過粉末激光金屬沉積(P-LMD)和電弧增材(WAAM)兩種AM技術(shù)成功添加了新的結(jié)構(gòu)特征(圖12)，既保證了制造效率又提高了制造柔性，對比傳統(tǒng)鍛造，材料利用率提高了50%。

圖12 預(yù)成形T形截面鍛件通過P-LMD和WAAM增加特征加強(qiáng)筋[29]Fig.12 Added feature stiffeners of pre-formed T-section forging by P-LMD and WAAM[29]

BAMBACH等[30]在Ti-6Al-4V預(yù)成形的鍛件上進(jìn)行WAAM制造，對WAAM制件進(jìn)行熱鍛成形，分別研究了兩種復(fù)合制造工藝下顯觀組織、力學(xué)性能演化規(guī)律，結(jié)果表明增材區(qū)與鍛造區(qū)界面冶金結(jié)合良好，鍵合區(qū)拉伸性能可達(dá)到鍛造要求，延展性略低于鍛件，但較鑄件要高；MA等[31]對Ti-6Al-4V鍛造和增材鍵合區(qū)顯觀組織和力學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，鍵合區(qū)因形成二次強(qiáng)化相而整體強(qiáng)度較基體要好，該結(jié)論與文獻(xiàn)[30]結(jié)論一致。同時，還發(fā)現(xiàn)對WAAM制件進(jìn)行熱鍛和后續(xù)熱處理后，制件強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)均出現(xiàn)了較大程度的提高，整體性能與鍛件相當(dāng)(圖13)。

圖13 WAAM制件熱鍛+熱處理工藝與沉積態(tài)、傳統(tǒng)鍛件力學(xué)性能對比[30]Fig.13 Mechanical properties of WAAM parts by hot forging+heat treatment，deposited state and traditional forgings[30]

文獻(xiàn)[32-33]研究了不同激光增材工藝和熱鍛成形工藝對不銹鋼成形件顯觀組織和力學(xué)性能的影響，增材后進(jìn)行高溫?zé)徨懀萍紫堵拭黠@降低，致密度可達(dá)99%以上，晶粒尺寸大幅減小，晶粒細(xì)化程度超7倍(圖14)，增材層力學(xué)性能顯著提高。

(a)沉積態(tài) (b)900 ℃變形量5% (c)1040 ℃變形量5% (d)900 ℃變形量30% (e)1040 ℃變形量30%

與機(jī)械錘擊局部鍛造結(jié)合的增等材復(fù)合制造，當(dāng)前研究報道較少，均采用交叉協(xié)同的方式與高效、低廉的電弧增材制造進(jìn)行復(fù)合。錘擊錘頭尺寸較小，與工件的接觸方式為點(diǎn)接觸或微型球面接觸，相比于軋制工藝的線接觸或柱面接觸，具有更高的自由度，加工時受工件形狀的限制較小。另外，錘擊對工件的作用為非連續(xù)性多次間斷沖擊，作用力為瞬間沖擊力，作用時間極短，瞬間接觸力較大，通過多道次小塑性變形積累，最終可使增材層產(chǎn)生較大的塑性變形，無需大型設(shè)備提供高達(dá)數(shù)十千牛的持續(xù)靜壓力，能夠和承載能力有限的工業(yè)機(jī)器人結(jié)合獲得更高的加工自由度，可滿足復(fù)雜形狀零件的加工，但現(xiàn)階段錘擊變形量難以實(shí)現(xiàn)精確控制，成形精度較軋制復(fù)合式增材制造要低。

H?NNIGE等[15，34-35]采用六自由度ABB工業(yè)機(jī)器人運(yùn)載高精度氣動錘擊設(shè)備構(gòu)成其錘擊組件，采用層間冷錘工藝在Ti-6Al-4V增材層表層植入微量塑性變形，伴隨后續(xù)沉積層熱循環(huán)獲得了大于塑性變形深度的細(xì)晶區(qū)，力學(xué)性能有所提高(圖15)；XIONG等[36]采用相似的方式，利用多自由度安川機(jī)器人手臂運(yùn)載改良的電動錘擊裝置(圖16)，通過對兩機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同控制，控制錘頭與焊槍的工作位姿，可實(shí)現(xiàn)微形錘頭對焊槍的同步近距離跟隨，在接近材料再結(jié)晶溫度時進(jìn)行隨動低頻錘擊，使增材層表層發(fā)生一定程度的塑性變形，產(chǎn)生高密度位錯，在增材層表層形成一定比例的亞結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸減小，增材層整體強(qiáng)度得到了較大程度的提高；FANG等[37]采用三自由度運(yùn)載機(jī)構(gòu)運(yùn)載氣動錘擊裝置(圖17)，對2319鋁合金增材層在焊后冷卻至50 ℃時進(jìn)行層間錘擊，增材層晶粒細(xì)化明顯，相較于沉積態(tài)，晶粒尺寸減小至其1/10(圖18)，伴隨著高密度的位錯，增材層力學(xué)性能大幅度提高；權(quán)國政等[38]采用的錘擊組件由大型龍門機(jī)器人(原理與文獻(xiàn)[37]類似)運(yùn)載氣動錘擊設(shè)備構(gòu)成，該運(yùn)載機(jī)器人體形大，承載能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，但也存在著運(yùn)動自由度較少，易與焊槍發(fā)生近距離干涉等問題。所采用的錘擊設(shè)備為工程用氣鎬，成本低廉，沖擊力大，但錘擊運(yùn)動難以準(zhǔn)確控制，成形精度較低。該研究通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式發(fā)現(xiàn)，焊后錘擊對消除焊接內(nèi)應(yīng)力效果顯著。

圖15 層間冷錘工藝與沉積態(tài)力學(xué)性能對比[34]Fig.15 Mechanical properties of interlayer cold hammering and deposition state[34]

圖16 機(jī)器人手臂運(yùn)載電動錘擊裝置[36]Fig.16 Yaskawa robot carriying the electric hammering device[36]

圖17 三自由度機(jī)械錘擊組件[37]Fig.17 3-DOF mechanical hammering component[37]

(a)沉積態(tài)

(b)層間冷錘工藝圖18 沉積態(tài)與層間冷錘工藝晶粒形態(tài)[37]Fig.18 Grain morphologies of as-deposited and inter-layer cold hammering[37]

與噴丸結(jié)合的增等材復(fù)合制造通過在增材層表層植入微量塑性變形，實(shí)現(xiàn)增材層整體性能的提高，多為工序分離式復(fù)合，即以后處理的方式對增材制件進(jìn)行強(qiáng)化處理。噴丸類型有機(jī)械噴丸(SP)、超聲噴丸(USP)和激光噴丸(LSP)三類，前兩者為機(jī)械接觸式強(qiáng)化，通過高速實(shí)體丸粒沖擊制件表面實(shí)現(xiàn)制件表面強(qiáng)化，后者LSP為非接觸式強(qiáng)化，無實(shí)體丸粒產(chǎn)生，通過高能激光作用金屬表面實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化，可將LSP列為特種能場輔助增材制造。

ALMANGOUR等[39]在增材后處理階段，通過機(jī)械噴丸對激光增材不銹鋼制件進(jìn)行處理，通過在制件表面植入塑性變形，促使殘余奧氏體轉(zhuǎn)化成馬氏體，并誘導(dǎo)表層發(fā)生晶粒細(xì)化(圖19)，制件表面粗糙度降低，硬度、屈服強(qiáng)度、耐磨性等力學(xué)性能指標(biāo)得到較大程度提高；文獻(xiàn)[40-41]采用三向超聲噴丸對鈦合金、鋁合金增材焊縫進(jìn)行強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)超聲噴丸對焊縫表面微觀形貌的影響較小，焊縫表面未發(fā)生明顯的塑性變形，但表層晶粒卻發(fā)生了較大程度的細(xì)化(圖20)，增材層孔隙率降低，材料的強(qiáng)度也得到相應(yīng)增加，各向異性減弱，如圖21所示。

(a)沉積態(tài)圖像質(zhì)量映射(b)機(jī)械噴丸圖像質(zhì)量映射

(c)沉積態(tài)晶粒取向圖 (d)機(jī)械噴丸晶粒取向圖圖19 機(jī)械噴丸工藝與沉積態(tài)晶粒形態(tài)對比[39]Fig.19 Grain morphologies of mechanical shot peening and deposited state[39]

(a)沉積態(tài) (b)三向超聲噴丸圖20 沉積態(tài)與三向超聲噴丸工藝晶粒形態(tài)[40]Fig.20 Grain morphologies of as-deposited and 3D ultrasonic shot peening[40]

圖21 超聲噴丸工藝和沉積態(tài)力學(xué)性能對比[40]Fig.21 Mechanical properties of ultrasonic shot peening and deposited state[40]

3.2 關(guān)鍵問題

關(guān)于增等材復(fù)合制造技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，需重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問題：①外加力能場下，塑性變形程度、變形溫度、變形速率、介入頻率等與增材制造形成的復(fù)合工藝參數(shù)對增材層顯觀組織、宏觀力學(xué)性能的多尺度演化規(guī)律；②外加力能場下，增材制件顯觀組織和宏觀形性的主動控制；③外加力能場下，局部變形區(qū)與后續(xù)沉積層結(jié)合區(qū)界面的控制及強(qiáng)化；④外加力能場下，增材制造過程中動態(tài)變形的控制及修正；⑤外加力能場不同介入時機(jī)、頻率下，制件成形效率與成形質(zhì)量的平衡；⑥外部力能場輔助設(shè)備與增材設(shè)備干涉現(xiàn)象的控制；⑦外部力能場類型、力能參數(shù)、能耗、成本與零件成形精度、質(zhì)量的平衡。

4 特種能場輔助增材制造技術(shù)

4.1 研究現(xiàn)狀

前兩類復(fù)合式增材制造技術(shù)所對應(yīng)的外加輔助制造均為接觸式制造方法，存在設(shè)備干涉及效率等問題。特種能場輔助增材制造技術(shù)通過超聲、電磁、激光等非接觸式特殊能量源及其特征效應(yīng)，作用于增材制造全過程，改善增材層顯觀組織，提高制件宏觀形性，是當(dāng)前正迅速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)。

超聲、電磁類特種能場輔助增材制造分別通過高頻超聲波、電磁效應(yīng)作用于增材熔池的形成和凝固過程，改變?nèi)鄢匦纬傻侥踢^程中熔池流動、傳熱傳質(zhì)、結(jié)晶形核、固態(tài)相變規(guī)律，進(jìn)而改善增材層晶粒形態(tài)、顯微組織、應(yīng)力狀態(tài)和宏觀形性，可歸為同步跟隨式復(fù)合增材制造技術(shù)。

文獻(xiàn)[42-43]采用超聲激振設(shè)備作用于增材基板(圖22)，通過高頻超聲波在金屬基板內(nèi)的傳播實(shí)現(xiàn)對增材熔池的實(shí)時作用，研究了超聲振動對鎳基合金激光增材組織和力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明超聲振動通過對增材熔池的空化和聲流效應(yīng)，可促進(jìn)增材組織均勻化，減少第二相的析出，改變析出相形態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)增材組織晶粒細(xì)化(圖23)，進(jìn)而改善增材制件的力學(xué)性能。文獻(xiàn)[44]通過ABB機(jī)器人運(yùn)載超聲激振設(shè)備近距離跟隨焊槍，實(shí)現(xiàn)高頻超聲振動對Ti-6Al-4V增材熔池的同步跟隨作用，研究表明高強(qiáng)度超聲波通過聲空化、聲流效應(yīng)在金屬凝固過程中可有效阻斷柱狀晶體外延生長，削弱織構(gòu)強(qiáng)度，細(xì)化柱狀晶顯觀組織，進(jìn)而改善增材制件力學(xué)性能。文獻(xiàn)[45-47]將自主設(shè)計的電磁線圈集成于焊槍，實(shí)現(xiàn)了對增材熔池的同步作用，研究了外加縱橫向穩(wěn)態(tài)磁場對WAAM制件顯觀組織和宏觀形性的影響，結(jié)果表明：外加縱向穩(wěn)態(tài)磁場通過在熔池中產(chǎn)生切向電磁力，推動熔池向邊緣流動，能夠減小熔積層高寬比，形成平緩的熔積層形貌，有利于多道搭接熔積提高制件成形精度和表面質(zhì)量；外加橫向磁場能夠降低熔池凝固過程中枝晶前沿溫度梯度和溶質(zhì)濃度，增加枝晶前沿的成分過冷，使靠近熔池中心的枝晶前端生長加速并細(xì)化晶粒，改善增材制件顯觀組織和宏觀力學(xué)性能。

圖22 超聲振動組件作用于基板[43]Fig.22 Ultrasonic vibration component acting on substrate[43]

圖23 超聲振動組件跟隨焊槍作用于沉積層[44]Fig.23 Ultrasonic vibration component following the welding torch acting on deposited layer[44]

激光類特種能場輔助增材制造有激光沖擊輔助、選擇性激光燒蝕輔助、選擇性激光重熔輔助三種方法。

激光沖擊輔助增材制造在增材后處理階段，通過高功率密度、短脈沖的激光作用于制件表面涂覆的能量吸收涂層，誘導(dǎo)制件表面產(chǎn)生高幅沖擊波以對表層進(jìn)行高能沖擊，在制件表層植入一定深度的塑性變形，改善表層晶粒形態(tài)、顯微組織和應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而改善制件整體宏觀力學(xué)性能，為工序分離式復(fù)合制造。激光沖擊對增材層的作用原理與噴丸類似，也被稱為激光噴丸。

KALENTICS等[48]研究了新型3D激光沖擊方法(激光沖擊面與激光熔化面不同)對選擇性激光熔化(SLM)316L不銹鋼制件疲勞性能的影響，結(jié)果表明3D激光沖擊通過在制件表層植入殘余壓應(yīng)力，能夠提高制件表面顯微硬度，降低制件內(nèi)部孔隙率(圖24)，阻礙疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展，大幅度延長了制件的疲勞壽命。HACKEL 等[49]通過類似的研究發(fā)現(xiàn)激光沖擊較機(jī)械噴丸在制件表層產(chǎn)生的應(yīng)力層更深，對增材制件扭曲變形有一定的校正作用。

(a)SLM (b)2D-LSP (c)3D-LSP圖24 SLM、2D-LSP和3D-LSP內(nèi)部氣孔形態(tài)[48]Fig.24 Internal stomatal morphologies of SLM，2D-LSP and 3D-LSP[48]

選擇性激光燒蝕輔助增材制造通過高能激光對材料的蒸發(fā)作用，對增材層進(jìn)行表面減材加工，提高增材層表面質(zhì)量，作用效果與切削加工類似。選擇性激光重熔輔助增材制造利用低能激光對增材層的重熔作用，降低增材層殘余孔隙率、表面粗造度，提高增材層致密度和表面質(zhì)量。兩者作用原理類似，既可作用于逐層增材之間，也可作用于增材后處理階段，為兼具交叉協(xié)同和工序分離兩種特征的復(fù)合式增材制造技術(shù)。

YASA等[50-51]分別研究了選擇性激光燒蝕和選擇性激光重熔對SLM增材制造的影響，結(jié)果表明，選擇性激光燒蝕對制件表面粗糙度的改善效果不及后者，但效率較高，可伴隨解決SLM增材層邊緣階梯效應(yīng)，同時，選擇性激光燒蝕還具有對零件微細(xì)特征的加工能力，能夠加工尺寸范圍在50～100 μm的微特征，而選擇性激光重熔對增材層殘余孔隙率、致密度、殘余應(yīng)力有明顯的改善作用，但效率較低，時間成本較高。

4.2 關(guān)鍵問題

關(guān)于特種能場輔助增材制造技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，需重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵問題：①超聲、電磁類作用于增材熔池的形成和凝固過程中的特種能場，對顯觀組織、宏觀形性多尺度作用機(jī)制和演化規(guī)律；②激光類作用于沉積層的特種能場下，激光功率、掃描速率、光斑尺寸等與增材制造形成的復(fù)合工藝參數(shù)對增材層顯觀組織、宏觀力學(xué)性能的多尺度演化規(guī)律；③特種能場下，增材層顯觀組織和宏觀形性的定向控制；④特種能場下，增材制造過程中動態(tài)變形的控制及修正；⑤激光類輔助能場不同介入時機(jī)、頻率下，制件成形效率與成形質(zhì)量的平衡；⑥超聲、電磁類特種能場如何有效施加。

5 復(fù)合式增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢

(1)向多制造技術(shù)復(fù)合式增材制造發(fā)展。減材制造在制件成形精度和表面質(zhì)量控制方面表現(xiàn)優(yōu)異，等材制造在制件顯觀組織和宏觀性能控制方面效果顯著，特種能場可改善增材層顯觀組織和宏觀形性，具有非接觸式制造特點(diǎn)。增材制造與單一減材、等材、特種能場輔助制造進(jìn)行復(fù)合，難以實(shí)現(xiàn)制件形性一體化有效調(diào)控。將增材、等材、減材以及特種能場輔助制造多制造技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，形成新型復(fù)合式增材制造技術(shù)，保留增材制造快速、柔性的制造特征，減材制造高精成形的制造特征，等材制造組織性能優(yōu)異的制造特征，以及特種能場非接觸式制造特征，將成為復(fù)合式增材制造技術(shù)的未來發(fā)展的趨勢。

(2)向在線檢測、閉環(huán)控制發(fā)展。增材制造形性問題嚴(yán)重，復(fù)合式增材制造對制件的形性調(diào)控為動態(tài)調(diào)控過程，為保證制件形性調(diào)控的質(zhì)量和精度，復(fù)合式增材制造系統(tǒng)需引入先進(jìn)的檢測、測量及控制技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測、反饋制造過程，并對制造過程進(jìn)行閉環(huán)控制，動態(tài)調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)增材制造形性的有效控制。

(3)向一體化、智能化產(chǎn)品設(shè)計制造發(fā)展。當(dāng)前復(fù)合式增材制造技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，除增減材復(fù)合制造外，未見商品化的復(fù)合式增材制造裝備，未來隨著基礎(chǔ)研究及支撐技術(shù)不斷發(fā)展，高度集成的商業(yè)設(shè)備將逐漸被推出，結(jié)合先進(jìn)材料技術(shù)、CAD/CAPP/CAM技術(shù)、智能控制技術(shù)以及大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)，將形成從材料、功能、結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計到加工制造的一體化、智能化產(chǎn)品設(shè)計制造流程。

(4)向大型構(gòu)件的低成本、高效率、高質(zhì)量制造發(fā)展。增材制造具有快速、柔性、綠色的先進(jìn)制造特點(diǎn)，增材制造與多制造技術(shù)結(jié)合形成的復(fù)合式增材制造，能夠較好地解決增材制件形性難控的問題。隨著復(fù)合式增材制造技術(shù)迭代發(fā)展，將形成一種同時具有快速、柔性、綠色、低成本、高質(zhì)量等制造優(yōu)點(diǎn)的新型先進(jìn)制造技術(shù)，在國家重大戰(zhàn)略需求的航空、核電、石化等領(lǐng)域超大型構(gòu)件的制造中具有巨大的潛力。