線材等離子體-激光復合增材製造Ti6Al4V鈦合金

江蘇鐳射聯盟導讀：發展了一種

絲材等離子體弧-激光復合增材製造技術

；該複合增材製造工藝呈現出比單獨使用等離子體和單獨使用鐳射更明顯的優勢。獲得了最佳化的複合工藝引數。提出一個多個能量源（兩個鐳射+一個PTA）的概念來克服標準的複合工藝的限制。

成果摘要：

在本研究中，提出一個新穎的以

線材為基礎的等離子體弧（PTA）—鐳射的複合增材製造技術來沉積大體積的鈦合金部

件，沉積時具有高的沉積速率和幾乎為近淨成形。最佳化的工藝，包括熱源的佈局，送絲的位置以及弧—鐳射的分離距離等均給予了研究。採用複合增材製造工藝比單獨使用PTA和單獨使用鐳射增材製造的優勢要明顯的多。研究結果表明，同單獨使用PTA相比較，複合工藝拓展了能量的分佈和熔池的尺寸，使得絲材有更多的時間同熱源進行相互作用，從而可以產生更高的沉積速率。同單獨使用鐳射相比較，複合工藝具有更高的絲材熔化效率和絲材位置的精度更高。由於在兩個熱源處具有更多的能量分佈，在複合工藝中形成匙孔的可能性就比單獨使用PTA要低得多。複合工藝的最佳配置是PTA作為先行的熱源結合前部的送絲一起工作。在這一配置中，PTA用來熔化原材料，鐳射用來控制熔池的尺寸，從而使得控制沉積速率和熔覆道的形狀進行單獨控制變得比較容易。一套多層薄壁牆部件進行了構建來驗證複合工藝的可行性，顯示了這一複合工藝進行製造工程部件的可行性。結果表明複合工藝獲得的平板的熔道比較理想，波浪形比較低平，從而實現了近淨成形的目的。但該複合工藝的一個缺點是會對底層進行重熔。為了克服這一缺點，一個多熱源系統實現更加均勻的能量分佈的方案提出來來解決這一問題。

圖1： （a）PTA-激光復合增材製造工藝的示意圖；（b） 該示意圖的側檢視，採用紅色的點線來顯示，示於圖（a）中。

成果簡介：

能量直接沉積（DED）增材製造（AM）由於同傳統的鑄造，鍛造相比較，具有交貨時間短，材料浪費少以及設計自由，柔性加工等優點而在近年來得到了快速的發展。絲材DED增材製造技術同粉末AM技術相比較，具有沉積效率高和材料浪費少的優點，從而成為潛在的具有高沉積速率和近淨成形的優點，從而在諸多領域得到了應用，如航空航天，能源電力等。取決於能量熱源的不同，絲材DED AM技術主要有三大類，分別是電子束自由成形增材製造，絲材鐳射增材製造，絲材電弧增材製造。電子束絲材AM由於需要在真空室中進行操作，造成裝置成本的投入相對比較大，低佔空比和長的冷卻時間，由此造成該技術的應用面相對比較窄。絲材鐳射DED技術是一種近淨成形技術，可以單獨控制鐳射功率和能量分佈，從而使得該技術可以獲得穩定的熔化和避免匙孔效應的形成。然而，由於大多數金屬對鐳射的吸收率均比較低，要獲得高的沉積速率往往需要的鐳射功率會比較高。這就導致能量的分佈變化比較大。因此造成加工成本比較高和反射的能量不好控制的問題。在絲材電弧AM技術當中，使用等離子體弧焊工藝，同鐳射相比較，由於具有高的能量轉換效率，具有較為理想的沉積速率（如以鈦合金為例，可以達到1 kg/h），使得利用該技術製備大體積的部件成為可能。在原理上，在PTA工藝中幾乎不能再增加沉積效率了，但是，同絲材鐳射DED不同的是，幾乎不可能同鐳射一樣能量波動會比較大。因此，在當前需要高的沉積速率，如達到如同鐳射沉積的匙孔效應條件下的高速率，從而限制了其沉積速率的進一步增加。同絲材DEDAM技術和絲材鐳射DED增材技術相比較，可以發現每一個工藝都存在自身的優點和缺點。因此，絲材PTA－激光復合AMDED工藝的研究，結合兩者熱源的優點和實現高的沉積速率，無缺點和近淨成形的概念應運而生。

圖２：不同的配置和運動方向（使用粉色箭頭表示）：（a）絲材首先使用PTA進行輻照， （b）絲材首先使用鐳射進行輻照 。

對於電弧－激光復合AM技術，在過去的幾年裡，只有很少的文獻給予了報道，並且大多數都是基於氣體保護焊（ gas metal arc （GMA）。這是因為GMA工藝在路徑規劃上同鎢極電弧焊和PTA相比較，具有高的耐受性，這是因為該技術在使用的時候消耗電極（即絲材）和火焰是同軸的．此外，其沉積速率相對來說也比較高，在單絲的時候就可以達到 3 kg/h．在使用串聯工藝的時候，使用鋼鐵材料可以達到9。5 kg/h．Näsström 等人曾經研究了冷金屬轉移（cold metal transfer （CMT））弧－激光復合AM工藝來沉積鋼，同僅僅使用CMT進行沉積，CMT伴隨先導鐳射，CMT伴隨尾隨鐳射進行了對比。結果發現，CMT伴隨尾隨鐳射的配置提高了工藝穩定性和由此提高了表面的粗糙度和形狀的穩定性。 Pardal等人則研究了引入能量鐳射作為CMT為基礎的絲材增材製造鈦合金的第二熱源．同CMT技術相比較，複合工藝可以起到穩定電弧，導致熔覆道的形狀成形好和高的沉積效率。Zhang等人研究了GMA-激光復合AM製造鋁合金時得到了類似的結果。他們發現同GMA工藝相比較，部件的表面質量在增加了鐳射進行復合之後得到了顯著的提高，同時材料的利用效率還提高了15%．值得注意的是，上述的研究主要聚焦在GMA為基礎的AM技術在增加鐳射後對錶面成形質量的影響上。這是因為GMA工藝的消耗電極是不穩定的，從而導致表面粗糙度相對較差．此外，對於有些材料如鈦合金的工作功效比較低，陰極點不在某一點固定，電子會在較大的區域發射，導致電弧漂移．此外，鈦合金表面的表面張力比較大，導致液滴的離開比較困難，從而容易在GMA工藝中形成比較大的飛濺．因此，採用GMA工藝沉積鈦合金的時候是比較困難的．然而，在電弧工藝中，非消耗電極的工藝如PTA和GTA，其電子的發射是從鎢極（熱離子發射）發射出來的，其電弧是穩定的，從而造成該工藝在沉積鈦合金的時候是比較適合的．

圖 ３ （a） MES在配備

一個PTA和兩個單獨的鐳射

的配置圖， （b）三個能量源的相對位置，粉色箭頭顯示的是運動的方向．

Miao等人比較了GTA-激光復合增材製造技術沉積鋁合金部件後的顯微組織和機械效能，以及單獨使用GTA的部件進行了對比。結果發現增加了鐳射之後會導致更加均勻的元素分佈和細化的晶粒，其原因是加強的流體速度和在鐳射熱影響區的冷卻速率比較高。這就導致了顯微硬度的提高和強度的提高。Wu等人則研究了GTA-激光復合AM技術沉積 Al-Cu合金時的顯微組織和機械效能，結果發現晶粒比較細小， Cu元素的分佈比單獨使用電弧時的每層要均勻的多．由此可以得出的結論是，大多數的出版的文獻關於電弧－激光復合AM製造主要集中在沉積材料的表面質量或材料的標準上．然而，鐳射能量和電弧如何影響原材料的熔化（效率和沉積速率）和熔池的控制（再熔化和熔覆道的形狀）還未見報道，這些方面的研究對提高沉積速率和沉積部件最終的形狀至關重要．

來自英國的克萊菲爾德大學的研究人員則為大家展示了這方面的研究成果，這一成果發表在近期出版的期刊《Journal of Materials Processing Technology》上．

圖４：絲材的方向和先導的熱源對沉積過程和熔道形貌的影響，鐳射功率為7 kW，電流為200 A c：（a） 絲材被PTA所熔化， （b） 絲材被鐳射所熔化。 （c） 和 （d）則顯示的在條件 （a） 和 （b）是所得到的熔覆道的外形．其中粉色箭頭表示的是運動的方向．

在本研究中，PTA-激光復合AM工藝用來沉積Ti-6V-4 V鈦合金。最佳化的工藝引數，包括鐳射和PTA熱源的配置，絲材的送進方向，送絲位置以及電弧－鐳射的分離距離等，均進行了研究．使用這一複合工藝的優點遠勝於單獨使用PTA和單獨使用鐳射，無論是從提高的效率和沉積效率上，均非常明顯。三個多層單道沉積薄壁牆進行了沉積以評估其形狀精度和研究標準的複合沉積工藝所存在的缺陷。進一步的提出一個新概念來使用電弧-激光復合AM工藝來克服所觀察到的侷限性。這一多個能量源的辦法採用的是三個熱源來進行復合沉積，分別是一個PTA和兩個分離開的鐳射熱源，其優點得到了進一步的提升．

圖５多層單道薄壁牆在不同的條件下所得到的橫截面，均呈現出良好的表面精度：（a） 薄壁牆 1： 4 m/min， （b） 薄壁牆2： 6 m/min， 和 （c） 薄壁牆 3： 8 m/min

研究的主要結論

1，對同一功率，在PTA工藝的時候要比僅僅使用鐳射的時候，絲材可以吸收的能量更多。PTA-激光復合AM技術同單獨使用PTA和單獨使用鐳射進行沉積相比較，可以獲得更高的沉積效率．同鐳射熱源相比較，複合工藝的沉積效率比較高得益於PTA和鐳射的優勢的綜合．同PTA相比較，高的沉積速率歸因於複合工藝所造成的拓展的能量分佈和熔池尺寸的增加，使得絲材的熔化效率更高。

2，在PTA 工藝中沉積速率受到限制是匙孔效應形成造成的，而複合工藝的變化範圍可以顯著的由於鐳射的引入而得到拓展。這是因為低的弧電流和由此在同一功率輸出的時候，複合工藝只需要更低的電弧電壓和電弧壓力就可以實現。

3，複合工藝的絲材的耐受度同絲材鐳射AM技術相比較得到了增加，這是因為PTA熔化絲材的效率比較高的緣故。

4，PTA-鐳射最佳化後的配置方案是PTA作為先導的熔絲，從而實現穩定的沉積工藝和與此同時得到良好的熔覆道形貌．

5，鐳射和絲材之間分離的距離是非常重要的．距離太短則會增加諸如形成等離子弧的損傷，而距離過長則會造成過窄和兩個熔池之間的一定程度的分離．

6，透過使用兩個熱源，複合工藝可以實現單獨的控制沉積速率和熔覆道的形貌．採用複合AM工藝沉積的多層薄壁牆樣品可以實現在高沉積速率的條件下進行近淨成形．其熔覆道的寬度可以在較大的範圍內調節．

7，PTA-激光復合工藝在沉積效率上還存在一定的缺點，導致需要較高的再重熔過程。這是因為有大量的能量分佈在沉積的中心線上。為了克服這一缺點，一個新的概念提出來，使用多個能量熱源來解決，即引入兩個鐳射能量源位於PTA能量源的兩邊，且位置在PTA之後。採用這一辦法，其再重熔的比例可以顯著的得到改善。

文章來源：Wire based plasma arc and laser hybrid additive manufacture of Ti-6Al-4V，Journal of Materials Processing Technology，Available online 4 February 2021， 117080，https：//doi。org/10。1016/j。jmatprotec。2021。117080