鋁合金點陣結構電弧增材制造技術及應用

鄭 博， 余圣甫， 禹潤縝， 李勇杰， 唐 論

華中科技大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074

0 前言

高超音速飛行器具備多項航空、航天前沿科技，具有很大發展潛力，在惡劣條件下使用的高性能飛行器，對材料和結構要求非常嚴格。點陣結構是一種由一定直徑和角度的單元桿件組成的空間網架類有序多孔結構，鋁合金是制造點陣結構的重要材料之一。鋁合金點陣結構具備比強度高、耐高壓等特點，是飛行器的主承力結構，同時支撐熱防護系統，應用十分廣泛，如火箭發動機整流罩、儲氣箱體及發動機殼體等［1-2］。

現階段，金屬點陣結構的制備方法有熔模鑄造法［3-4］、沖壓成型法［5］與拉伸網折疊法［6-7］。Deshpande等［4］使用熔模鑄造工藝制備最小桿件直徑為1 mm的LM25鋁合金八面體點陣結構，但該方法需制備相應模具，流程復雜，成本高昂。Wadley等［5］采用自制正方形沖壓模，沖壓網狀結構，再將其折疊成四面體點陣結構，該方法工藝簡單，但沖壓產生過多廢料，材料利用率低。Kooistra等［7］使用拉伸網折疊法制備鋁合金金字塔點陣結構，該方法節省材料，但工藝繁瑣，鋁合金多次變形，結構強度低。這些制造瓶頸使金屬點陣結構的產業應用受到限制，急需一種工藝流程簡單、制造速度快和材料使用率高的新技術。

電弧增材制造技術具有開放的成形環境，能實現大尺寸、高效率的柔性制造，但電弧熱源存在能量密度低、加熱范圍大等缺點，導致電弧增材制造點陣桿件的表面波動較大，很難實現復雜點陣構件的精確成形。激光-電弧增材制造技術對鋁合金電弧增材制造具有明顯的控形優勢，在鋁合金電弧增材制造領域具有重大的技術優勢［8-9］，有望用于實現點陣結構高精度電弧增材制造成形。

本文開展點陣電弧增材制造裝備、絲材和成形工藝方面研究，并應用電弧增材制造技術制備典型點陣結構示范件。

1 點陣結構激光-電弧增材制造裝備

傳統電弧增材裝備難以實現點陣結構高精度成形。Abe等人［10］采用FUNAC焊接機器人+林肯焊機（MAG模式）實現了低碳鋼點陣的制造，但制造點陣的復雜程度和成形精度難以滿足使用要求。因此，研發由增材制造單元、激光單元與監測單元組成的點陣激光-電弧增材制造裝備，以實現復雜點陣結構的高精度、高效率制造。

增材制造單元是實現點陣構件電弧增材制造的基本單元，由CMT弧焊機、機器人與變位機組成。CMT弧焊裝置產生電弧，其堆積熱輸入小。機器人用于控制焊槍位置，控制熔滴沉積位置。變位機具有2個自由度，與機器人集成，形成8軸協同電弧增材制造系統，可實現復雜點陣結構的增材制造。

激光單元包括激光發射器、槍頭和水冷裝置。激光單元用于實現對電弧的穩定、壓縮及調控，以實現高精度點陣結構制造。激光單元與增材制造單元通過自制夾具集成為一體（見圖1），具有多個自由度，可實現激光入射角度、光絲間距等參數的大范圍調節。

圖1 激光-電弧增材制造單元示意Fig.1 Laser arc additive manufacturing unit

監測單元主要包括高速攝像系統和夾持系統。夾持系統由多自由度活動關節鉸鏈組成，將高速攝像系統固定于機器人手臂，如圖2所示。拍攝電弧與熔池形貌，觀察激光調控電弧形態，并傳送數據到上位機，通過相應軟件對照片進行處理，獲得電弧尺寸數據。

圖2 監測單元Fig.2 Monitoring unit

集成增材制造單元、激光單元與監測單元，獲得激光約束電弧復合能場、多自由度電弧增材制造裝備，如圖3所示。

圖3 點陣結構激光—電弧增材制造裝備Fig.3 WAAM equipment of lattice structure

2 點陣結構電弧增材制造用絲材

當前階段，航空航天領域的點陣電弧增材制造絲材主要為商業2xxx（Al-Cu-Mg系列）與7xxx（Al-Zn-Mg-Cu系列）鋁合金［11-13］絲材。但現有鋁合金熱導率高，難以滿足點陣結構的隔熱需求。研發陶瓷顆粒增強鋁基藥芯絲材，通過在鋁合金藥芯絲材中加入陶瓷相，能降低點陣桿件的熱導率，提高點陣結構的隔熱性能。

在絲材藥芯中加入NiO金屬氧化物，Al與NiO金屬氧化物發生置換反應，可在桿件金屬中獲得自生Al2O3陶瓷相，提高桿件金屬的隔熱性能。再加入適量的Cu元素，由于Cu元素的固溶強化和Al2Cu相的第二相強化作用，可以極大提高強度。此外，向絲材中加入Mn、Ti、V、Zr微量元素，用于提高桿件金屬的綜合性能。設計的自生Al2O3相鋁合金藥芯絲材的化學成分如表1所示。

表1 自生Al2O3相鋁合金藥芯絲材化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of in-situ Al2O3 phase Al alloy core wire （wt.%）

鋁合金藥芯絲材的制備過程為：先將一定尺寸和厚度的鋁帶軋制為U形，再將混合好的合金粉末均勻送入鋁帶U形槽中包圓成絲，經后續多次拉拔減徑得到設計直徑的絲材。因此，鋁合金藥芯絲材制備工藝可分為三個部分：鋁帶選型及熱處理、藥芯粉末粒徑選取和絲材拉拔減徑。

退火時間1 h、不同退火溫度下的鋁帶光鏡圖像如圖4所示?？梢钥闯?，冷軋態鋁帶晶粒呈細長狀，晶粒沿軋制方向延伸；在240 ℃退火后，鋁帶晶粒開始出現明顯再結晶，長條狀晶粒開始轉變為等軸晶。

圖4 不同退火溫度下鋁帶的光鏡圖像Fig.4 Optical microscope images of Al strip at different annealing temperatures

不同熱處理參數下鋁帶的抗拉強度和伸長率如圖5所示。退火溫度0～200 ℃時，鋁帶抗拉強度僅略微降低，伸長率少量上升。當退火溫度超過200 ℃，由于晶粒開始發生再結晶，鋁帶強度顯著下降，伸長率顯著上升。在相同退火溫度下，將退火時間由1 h延長至2 h，鋁帶抗拉強度變化較小，鋁帶伸長率出現明顯下降。

圖5 不同熱處理參數下鋁帶的抗拉強度和伸長率Fig.5 Tensile strength and elongation of Al strip under different heat treatment parameters

根據鋁帶熱處理結果，結合絲材拉拔過程對鋁帶強度的要求，將鋁帶熱處理工藝定為退火溫度240 ℃、退火時間1 h，以確保鋁帶拉拔過程中具有足夠的強度和塑性。

Al粉和Cu粉流動性測試卡爾指數FI曲線如圖6所示。粉體粒徑對其FI影響顯著，在相同粒徑下，Cu粉FI均高于Al粉，粉體粒徑超過250 μm后，兩種粉末FI增加率開始降低，粒徑對其FI提升作用下降。綜合粉體流動性測試實驗結果，選用粒徑均為250 μm的Al粉和Cu粉作為藥芯材料，藥芯中其余微量金屬粉末粒徑也選用250 μm。

圖6 Al粉和Cu粉的流動性曲線Fig.6 Flow curves of Al and Cu powders

拉絲模設計孔徑如表2所示，將拉絲模加工并安裝到拉絲成型機。將經退火熱處理后的鋁帶和合金粉末裝入拉絲成型機中，以一定拉絲速度制備出直徑1.2 mm的鋁合金藥芯絲材，經過除油劑清洗和烘干得到成品絲材。

表2 拉絲模具的壓縮率及孔徑Table 2 Compression rate and aperture of drawing die

藥芯絲材單元桿成形時的熔滴過渡過程如圖7所示?？梢钥闯?，藥芯絲材熔滴過渡過程平穩，熔滴接觸過渡期間沒有發生爆斷。

圖7 單元桿成形時的熔滴過渡過程Fig.7 Droplet transfer process during unit rod forming

藥芯絲材單元桿成形時的電弧燃燒形態如圖8所示?？梢钥闯?，電弧燃燒時具有良好的挺度和指向性，未出現電弧漂移和偏轉等不良現象。

圖8 單元桿成形時的電弧燃燒形態Fig.8 Arc combustion pattern during unit rod forming

藥芯絲材單元桿成形時的點陣單元桿宏觀形貌如圖9所示?？梢钥闯觯X合金藥芯絲材成形單元桿表面光亮、無氣孔、無裂紋，單元桿的算術平均粗糙度Ra為9.60 μm。

圖9 單元桿宏觀形貌和表面輪廓測量結果Fig.9 Measurement results of macroscopic shape and surface profile of unit rod

由圖7～圖9表明，開發的藥芯絲材具有良好的電弧工藝性能，成形單元桿表面質量良好。經激光導熱儀測試，在室溫條件下，不含NiO藥芯絲材成形的單元桿熱導率為138.9 W/（m·K），而含1.5%NiO藥芯絲材成形的單元桿熱導率為103.7 W/（m·K），降低了約35 W/（m·K）。

3 激光約束電弧增材制造技術

點陣桿件成形精度取決于電弧穩定性。電弧熱源存在能量密度低、電弧穩定性差等缺點，導致電弧增材制造點陣桿件表面波動大，難以實現復雜點陣構件的高精確成形。Ono等人［14］研究發現激光對電弧存在約束作用，能提高電弧穩定性和成形質量。研究激光約束電弧增材制造技術，分析激光對電弧的影響規律及影響機理，通過激光約束電弧增材制造技術提高點陣結構成形精度。

圖10為采用熔化極活性氣體保護電弧焊（MAG Welding）增材制造的電弧形貌?？梢钥闯?，電弧形貌不穩定，表現為圓柱體、圓錐體、半球形。這是因為電弧溫度較低，電弧內部粒子電離程度低，帶電粒子少，導電性差，陰極斑點位置波動跳躍，導致電弧穩定性差。

圖10 MAG電弧形貌Fig.10 MAG arc shape

而激光作用于電弧后，激光-MAG復合電弧增材的電弧形貌如圖11所示，電弧形貌皆為圓柱體，燃燒穩定。這是因為激光使電弧內部粒子受激，產生大量等離子體，電弧受到等離子體的作用發生偏轉，因此電弧穩定性好。

圖11 激光-MAG電弧形貌Fig.11 Laser-MAG arc shape

圖12 為不同激光電弧間距（DLA）激光-MAG復合電弧和MAG電弧的尺寸對比。統計電弧尺寸波動與方差結果如表3所示。與MAG電弧尺寸相比，激光-MAG復合電弧尺寸方差均減小，波動性下降，穩定性提高，電弧的峰值尺寸也降低，電弧尺寸大幅度壓縮。通過對比不同DLA下的電弧尺寸及方差可知，當DLA=1 mm時，電弧尺寸的方差最低，電弧穩定性最高，當DLA從1 mm增加到3 mm，電弧尺寸方差從0.08增加到0.19，電弧穩定性降低。

圖12 不同光絲間距下電弧尺寸變化Fig.12 Arc size change under different DLA

表3 不同DLA下電弧尺寸的波動與方差Table 3 Arc size and variance under different DLA

焊接電流為70 A，直接電弧增材制造與激光功率250 W、DLA1 mm激光-電弧增材桿件成形對比如圖13所示。由圖可知，與直接電弧增材制造桿件相比，激光復合電弧增材制造的桿件平直度有所提高，不存在桿件彎曲現象，表明堆積電弧穩定性有所提高。同時，桿件表面粗糙度Ra由8.47 μm降低為6.23 μm，表面波動降低了26%，表明激光約束電弧增材制造技術可提高點陣桿件的成形精度。

圖13 電弧/激光約束電弧成形點陣桿件宏觀照片Fig.13 Macrophotograph of arc/laser constrained arc of formed lattic rod

如圖14所示，基于電磁學原理可知，電磁力的方向指向電弧軸線，在電磁力的作用下電弧壓縮。激光激發更多的中性粒子變成帶電粒子，使磁場強度B增加。由電磁力公式可知，電磁力F與B正相關。B增加使F增大，電弧壓縮，尺寸減小。同時，電弧內部中性粒子吸收激光能量，帶電粒子數量增加，因此改善了電弧穩定性。

圖14 電磁場示意Fig.14 Electromagnetic field diagram

4 電弧增材制造金屬點陣桿件成形控制

點陣結構單元桿直徑和傾角的精確控制是保證點陣結構隔熱和承載性能的基礎。MX3D公司使用電弧增材制備了不同角度單元桿件，但其控制桿件尺寸的方法不明確。Zhang等人［15］研究304不銹鋼點陣結構的電弧增材制造技術，表明熱輸入量和預置層高是調控精度的主要參數。但現有研究沒有深入分析電弧增材制造鋁合金點陣桿件的過程，因此研究電弧增材制造桿件的熔滴過渡、直徑和角度控制方法，獲得點陣桿件直徑、角度調控技術是制造高精度點陣桿件的關鍵。

4.1 點陣結構單元桿件的直徑控制

電弧增材制造點陣單元桿熔滴過渡和凝固過程如圖15所示。絲材與單元桿件接觸，電弧起弧燃燒（見圖15a）；隨后絲材回抽，電弧拉長，電流/電壓增加（見圖15b）；電弧熔化絲材形成熔滴，并且不斷長大（見圖15a～15d）；隨著絲材進給，熔滴進一步長大（見圖15e～15g）；熔滴與桿件頂端接觸短路，絲材回抽，熔滴在表面張力和重力的作用下過渡到桿件頂部（見圖15h～15k）；液態堆積金屬流動鋪展直至凝固（見圖15l～15n）；過渡下一層，電弧重新起弧，堆積金屬熔化進一步鋪展，凝固形成新一層堆積金屬（見圖15o～15r）。如此逐層增材制造出單元桿件。

圖15 電弧增材制造的熔滴過渡和凝固過程Fig.15 Droplet transfer and solidification process of WAAM

調節脈沖周期內電流、電壓和周期來控制電源脈沖周期總能量，從而控制熔滴體積。調節數字化電源，控制電源脈沖波形中的脈沖個數，從而控制熔滴個數。通過控制熔滴體積和熔滴個數即可以實現桿件直徑的控制。

圖16為采用不同電流、焊接電壓、熔滴體積和熔滴個數制備的不同直徑單元桿件，用體式顯微鏡拍攝并利用圖像處理軟件測得尺寸如圖16b所示。由圖可知，電弧增材制造可獲得直徑為2.5～7.0 mm的點陣桿件，其制造精度誤差在2%以內。

圖16 不同直徑的單元桿件Fig.16 Rods with different diameters

4.2 點陣結構單元桿件的角度控制

將桿件傾斜角度定義為α，α由桿件層間成形金屬的高度h和橫向偏移量x確定，見圖17a。而h、x與焊槍縱向運動值h′和偏移運動值x′對應，見圖17b。通過控制焊槍縱向和橫向運動量即可實現桿件角度的控制。

圖17 單元桿件角度控制原理示意Fig.17 Rod angle control principle diagram

圖18 a為制備的不同角度桿件，測得尺寸見圖18b。電弧增材制造可獲得角度在15°～90°的桿件，其制造精度誤差在4%以內。

圖18 不同角度的單元桿件Fig.18 Rods with different angles

5 點陣結構電弧增材制造工藝應用

5.1 平面點陣結構電弧增材制造

采用平面切片逐層打印點陣結構，將點陣結構劃分為兩個部分：單元桿件部分和節點部分。采取由下至上的順序對各部分分別成形。利用平面切片方法獲得單元桿件部分和節點部分的打印坐標，用機器人語言編寫打印程序，獲得dat.、src.文件，導入機器人控制面板，實現平面金字塔點陣結構的逐層打印成形。

平面金字塔點陣結構示范件如圖19所示。利用萬能實驗機測試點陣的抗壓強度，平均壓縮強度為58.53 MPa，說明點陣結構具有高的承載性能。

圖19 平面點陣結構示范件Fig.19 Component of planar lattice structure

5.2 圓柱面點陣結構電弧增材制造

在打印過程中，同一列點陣路徑點打印完成后，變位機帶動圓柱面基底旋轉，旋轉角度為點陣單胞的旋轉角θ。利用圓柱面切片獲得打印路徑點，獲得所有打印路徑后，用機器人語言編寫控制程序，導入機器人控制面板。通過機器人和變位機聯合運動，實現圓柱面金字塔點陣結構的逐層打印成形。

圓柱面金字塔點陣結構示范件如圖20所示，單元桿傾角最大誤差不超過1°，最大誤差率為1.8%。制備外殼體，在點陣測試件的外殼體上表面施加均勻熱源，熱源溫度為500 ℃，施加時間600 s，測試件下表面溫度約93 ℃，說明點陣結構具有較高的隔熱性能。

圖20 圓柱面雙層金字塔點陣結構示范件Fig.20 Component of cylindrical lattice structure

5.3 曲母線面點陣結構電弧增材制造

曲母線面點陣結構打印分為點陣單胞打印和點陣構件打印。其中，點陣單胞為先同層打印，再逐層打印策略；點陣構件為排—列—層的打印順序。采用曲母線面切片方法獲得打印路徑點。采用起始位置修正、變工藝參數值、2次沉積控制熔滴沉積量工藝實現同層高度補償，確保點陣桿件高精度成形。

曲母線面點陣結構示范件如圖21所示。曲母線面點陣結構單元桿成形角度最大誤差為±0.4°，成形桿長最大誤差為±0.26 mm，具有較高的成形精度。

圖21 曲母線面雙層金字塔點陣結構示范件Fig.21 Component of curved busbar lattice structure

6 結論

（1）采用激光約束電弧、變位機和機器人協同的點陣結構電弧增材裝備，可實現點陣結構的高精度、高效率成形。

（2）設計并制備采用添加NiO顆粒原位反應Al2O3陶瓷相的藥芯絲材，可降低堆積桿件的熱導率，提高隔熱性能。

（3）激光使電弧內部帶電粒子大幅度增加，可使電弧穩定，同時約束電弧，提高成形點陣精度。

（4）控制熔滴體積與個數，可制備不同直徑桿件（2.5～7.0 mm）；控制電弧槍縱向與橫向運動，可制備不同角度桿件（15°～90°）。

（5）獲得了平面點陣結構、圓柱面點陣結構和曲母線面點陣結構示范件，點陣結構的壓縮強度為58.53 MPa，在點陣測試件的上表面施加均勻熱源，熱源溫度為500 ℃，施加時間600 s，測試件下表面溫度約93 ℃，這表明點陣結構具有較高的承載性能與隔熱性能。