郑 涛, 郭绍庆, 张国栋, 施瀚超
（中国航发北京航空材料研究院 3D打印研究与工程技术中心, 北京 100095）
航空制造业作为高端技术密集型产业,一直代表着世界各国制造业的发展方向,是一个国家制造业实力和国防工业现代化水平的综合体现[1]。航空航天高端装备具有结构复杂、制备工序多、批量小等特点，随着大飞机、航空发动机、新一代运载火箭等不断发展，航空航天典型构件产品结构趋向复杂化、大型化，新材料不断涌现，传统锻造、锻造结合机械加工的制造方法越来越难以满足上述制造需求，而增材制造技术（additive manufacturing，AM）能够较好地解决此类问题[2-5]。
增材制造技术诞生于20世纪80年代末，是一种新型、极具潜力的先进制造技术。增材制造技术从零件的三维CAD模型出发，无需模具即可实现复杂结构金属构件的材料-结构一体化近净成形，为航空装备高性能构件的设计与制造提供新的工艺技术途径[6-8]。增材制造的能量源主要有激光、电子束和电弧，原料分为金属材料和高分子材料，形式有粉末、液体及丝材。航空航天高端装备高载荷、极端耐热、超轻量化和高可靠性的特性决定了金属材料增材制造将成为航空航天领域重点发展方向。目前，在航空航天领域应用较为广泛的金属增材制造工艺主要有激光选区熔化技术（selective laser melting，SLM）[9]、激光熔化沉积技术（laser melting deposition，LMD）[10]、电子束选区熔化技术（electron beam melting，EBM）[11]、电子束定向能量沉积技术（electron beam directed energy deposition，EB-DED）[12]、电弧熔丝增材制造技术（wire arc additive manufacturing，WAAM）[13]。WAAM 是一种金属材料近净成形制造技术，该技术被欧洲航天局视为一种低能耗、可持续的绿色环保制造技术；
近年来，随着增材制造技术向高效率、低成本的方向发展，WAAM越来越受到国内外航空航天工业的重视[14]。
本文对电弧熔丝增材制造的定义、技术分类、成形系统及原理进行论述，综述近年来国内外航空航天领域电弧熔丝增材制造铝合金、钛合金的组织特性、冶金缺陷及质量改善、典型构件技术应用等方面的研究进展，分析目前电弧熔丝增材制造技术在航空装备的大型、中等复杂构件制备方面所面临的关键共性问题，提出2035年WAAM成形技术路线规划图。
1.1 定义及技术分类
电弧熔丝增材制造技术最早可以追溯到1925年，Ralph[15]首次提出利用电弧作为热源，以金属丝材为原料，将丝材熔化堆焊获得金属制品。目前，该技术在国内外掀起了研究的热潮，其理论及技术发展都已趋于成熟。
电弧熔丝增材制造技术是基于离散-堆积制造思想，通过三维设计软件建立零件的实体模型，以电弧作为成形热源将金属丝材熔化，按设定的成形路径堆积每一层片，采用逐层堆积的方式成形所需的三维实体零件[16-17]。电弧熔丝增材制造由传统堆焊技术发展而来，具有设备及材料成本低，材料利用率高（接近100%），沉积效率高，成形零件无尺寸限制等技术优势，能够快速实现大型、中等复杂航空构件的低成本、高效制造，但高的热输入量及沉积速率导致成形构件的表面粗糙度较大，需要后续机加工达到理想的工件状态。
根据热源及成形方式的不同，电弧熔丝增材制造技术分为熔化极气体保护焊（gas metal arc welding，GMAW）增材制造技术[18]，钨极惰性气体保护焊（gas tungsten arc welding，GTAW）增材制造技术[19]及等离子弧焊（plasma arc welding，PAW）增材制造技术[20]，GMAW、GTAW及PAW的技术原理如图1所示[21]。
图1 电弧熔丝增材制造技术原理图[21] （a）GMAW；
（b）GTAW；
（c）PAWFig.1 Schematic diagrams of WAAM[21] （a） GMAW; （b） GTAW; （c） PAW
基于GMAW的电弧熔丝增材制造具有沉积效率高（3～4 kg/h）[22]、制造成本低、送丝方向及电弧同轴一体化等优点，但同时也存在热量输入大、成形精度低、表面质量粗糙等缺点。为消除GMAW增材制造存在的热量输入大、成形精度低等问题，Fronius公司发明了一种名为冷金属过渡焊技术（cold metal transfer，CMT），CMT 技术通过将熔滴过渡和送丝运动数字化协调，可实现数控方式下的短电弧和焊丝的换向送丝监控，控制送丝机构按照送丝控制系统的指令以70 Hz的频率控制脉冲式的焊丝输送同时调控电源输出波形。当熔滴与熔池发生短路时，熔滴在无电流的状态下过渡。熔滴过渡时电弧熄灭，焊接电流几乎降为0，从而大大降低焊接热输入量[23]。CMT具有独特的熔滴过渡技术、焊接热输入量小、飞溅小、焊缝成形美观，非常适合于铝合金电弧熔丝增材制造。
基于GTAW的电弧熔丝增材制造具有焊缝成形美观、飞溅少、成形性能好等优点，但沉积效率较GMAW低，约1～2 kg/h，由于其热源系统与送丝系统相互独立，需采用旁路送丝方式，零件的沉积质量与送丝方位有较强的相关性，因而在复杂零件制备方面受到限制。基于PAW的电弧熔丝增材制造技术有利于控制及降低成形热输入，具有能量利用率高、单道熔宽大、焊缝成形美观等优点，但不足之处在于制造效率相对较低。
1.2 成形系统及原理
电弧熔丝增材制造是数字化连续堆焊成形过程，其典型成形硬件系统如图2所示[24]，包括焊机及焊枪、送丝机构、机器人数控系统、计算机控制系统、传感器及操作平台。采用WAAM成形系统制备金属零件涉及三个主要工序：路径规划、沉积过程及后处理。对于特定的CAD零件模型，计算机控制系统中的3D切片及编程软件通过分析CAD零件模型、原材料类型，自动生成沉积过程所需的工艺参数及机器人运动路径规划，焊枪随着机器人手臂按照既定的路径逐层堆积形成零件，系统配备的各类传感器同步监测零件制备过程中的焊接参数、熔滴过渡形式、焊缝形貌及层间温度等信息并及时反馈计算机控制系统进行工艺优化以避免潜在的工艺缺陷，从而获得尺寸精度高、无缺陷的金属零件。
图2 WAAM 成形系统示意图[24]Fig.2 Schematic diagram of the WAAM system[24]
2.1 电弧熔丝增材制造铝合金
铝合金因其具有高比强度、比模量和良好的断裂韧性、抗疲劳、耐腐蚀等性能，是航空航天领域重点的结构材料。近年来国内外研究人员针对航空装备常用的Al-Cu系、Al-Zn-Mg-Cu系、Al-Cu-Mg系、Al-Mg系、Al-Si-Mg系铝合金的 WAAM技术开展了深入研究并取得了一定进展。
（1）组织特性
电弧熔丝增材制造技术因热源能量密度高、熔池尺寸小且移动速度快、非均匀形核位置数量大等特点，具有显著的快速非平衡凝固效应，可以使晶粒细化，易于获得细晶、微晶甚至纳米晶组织，这与合金过冷度及冷却速度密切相关[25]，但其热输入高又导致已沉积成形部分将受到后续移动热源的往复热作用，使得成形过程中热积累显著，促进晶粒长大，最终导致成形构件组织的差异。Wang等[26]采用CMT电弧熔丝增材制造2219铝合金构件，研究了WAAM增材过程中构件的组织演变规律，发现其组织呈现出明显的非均质带特征，层间区域为细小的等轴α-Al晶粒，而层内区域为粗大的柱状α-Al晶粒。Dong等[27]采用GTAW电弧熔丝增材制造7055铝合金单道多层结构，研究了不同热输入对构件组织的影响。结果表明：快速凝固的最上层区域组织为细小等轴晶，平均晶粒面积为544 μm2；
中间区域组织中细小等轴晶与粗大柱状晶交替排列，平均晶粒面积为2876 μm2，组织如图3所示。郑涛等[28]采用CMT电弧熔丝增材制造ZL114A铝合金构件，研究了WAAM成形沉积态和热处理态构件的微观组织。结果表明：沉积态组织由树枝状晶的α-Al基体和颗粒状共晶Si组成，并且相邻两道焊缝的重叠区域形成粗晶区；
相较于传统金属型铸造，沉积态晶粒更加细小，共晶Si相细小均匀分布；
经T6热处理后，树枝状晶消失，共晶Si相发生球化，呈细小弥散状态分布。
图3 WAAM 增材制造 7055 铝合金显微组织[27] （a）最上层区域；
（b）中间区域Fig.3 Grain morphologies of 7055 aluminum alloy by WAAM[27] （a） the last deposition layer; （b） middle deposition layer
（2）冶金缺陷及质量改善
如何有效控制铝合金WAAM构件的内部气孔缺陷是铝合金WAAM增材制造技术发展和应用面临的关键问题，气孔缺陷严重影响构件的力学性能，Mayer等[29]研究表明，直径大于50 μm的气孔是铝合金构件的裂纹源之一。因此，有效控制WAAM增材制造铝合金构件内部气孔缺陷对提高铝合金构件质量具有重要意义。Cong等[30]采用CMT电弧熔丝增材制造2319铝合金构件，分析了CMT工作模式、纯氩保护气体流量对WAAM试样内部气孔的影响规律，结果表明：在提高纯氩保护气流量条件下，CMT-PADV工艺因其低热输入及电弧对2319焊丝表面氧化膜高效清理作用而有利于改善2319成形质量。Gu等[31]探究了不同载荷下（15 kN、30 kN 和 45 kN）的层间轧制对 WAAM增材2319铝合金显微组织及气孔缺陷的影响，发现随着轧制载荷的增加，沉积态试样内部气孔被压扁且数量逐渐减少，当轧制载荷为45 kN时，气孔缺陷消失。但层间轧制工艺的使用具有一定的局限性，仅适用于简单的直壁构件，不适用曲面或更加复杂的不规则构件制备。
（3）典型构件的技术应用
航空航天装备中铝合金构件正逐渐趋向整体化、大型化及复杂化，而WAAM技术因其低成本、高沉积效率、高度柔性及成形尺寸无限制的技术特点成为航空航天装备中大型、中等复杂铝合金构件整体成形的技术首选。克兰菲尔德大学Williams Stewart课题团队最先开展了铝合金构件WAAM技术应用研究，采用CMT电弧熔丝增材制造技术以1.1 kg/h的沉积效率制备长度为2.5 m的飞机用铝合金翼肋板（图4（a）），将单个零件的投料产出比由37降至12，使得每个零件节省约500 kg的原材料[32]。美国Relativety Space公司采用激光+等离子为复合热源的WAAM技术制备火箭用铝合金燃料贮箱（图4（b））并通过了各项性能考核[33]。近年来，国内华中科技大学、首都航天机械有限公司、东北大学等科研机构针对航空航天领域的铝合金支座、舱段件、框梁、网格等典型结构分别开展了WAAM技术应用试制，其中WAAM增材制造舱段件（图4（c））取得了关键技术突破并成功应用于航天装备[34]。
图4 WAAM 成形铝合金构件 （a）铝合金翼肋版[32]；
（b）燃料贮箱[33]；
（c）舱段件[34]Fig.4 Aluminum parts formed by WAAM （a） aluminum wing spar[32]; （b） fuel tank[33]; （c） cabin part[34]
2.2 电弧熔丝增材制造钛合金
钛合金具有比强度高、密度低、耐高温及耐腐蚀等优点，成为飞机、航空发动机结构减重、提高推重比和提高燃油率的关键材料[35]。相比于铝合金，钛合金由于热加工窗口窄、热加工塑性差和变形抗力大等特点，采用传统加工工艺制备航空航天装备中肋腹板大型结构件（梁、框、滑轨等）存在生产工艺复杂、材料利用率低、加工成本高等诸多问题，对近净成形的需求更加迫切。因此，国内外研究机构对钛合金WAAM成形技术研究较多。
（1）组织特性
在钛合金WAAM成形中，由于逐层堆积过程钛合金构件经历多次热循环，凝固过程金属过冷度高、温度变化大、高温β相会转变为不同形态的α相，包括马氏体α′、马氏体α″、针状α、晶界α和网篮组织等[36]。Baufeld等[37]采用GTAW电弧熔丝增材制造Ti-6Al-4V钛合金单道薄壁件，研究了WAAM成形过程中热输入对显微组织的影响。结果表明：试样宏观组织为外延生长的粗大β柱状晶并沿着最大温度梯度方向生长；
此外，试样的顶部和底部组织虽均为魏氏组织，但形貌有所不同，顶部区域由于冷却速度快，组织为细小的α集束，而底部区域在多次的热循环作用下，组织为粗大的片状α，如图5所示。Lin等[38]采用PAW电弧熔丝增材制造Ti-6Al-4V合金薄壁墙，发现类似的组织演变规律，即沿着试样沉积方向，从底部到顶部区域的组织分别为针状马氏体α′相、魏氏组织及网篮组织。李长富等[39]采用CMT电弧熔丝增材制造Ti-6Al-4V合金试样，分析了其沉积态显微组织演变规律，发现钛合金宏观组织均为外延生长，且贯穿多个沉积层的粗大β柱状晶，成形件上部显微组织为典型的网篮组织，中部和底部由于多个热循环过程产生的热积累效应而形成魏氏组织。
图5 WAAM 成形 Ti-6Al-4V 合金的显微组织[37] （a）横截面；
（b）顶部区域；
（c）底部区域Fig.5 Microstructures of Ti-6Al-4V alloy formed by WAAM[37] （a） cross section; （b） upper layer; （b）bottom area
（2）冶金缺陷及质量改善
相比于铝合金，钛合金WAAM成形缺陷相对容易控制，主要问题在于成形时极易获得与增材制造方向一致的宏观粗大的β柱状晶组织，导致成形构件的力学性能具有明显的各向异性，无法满足成形构件的技术指标要求。因此，需要对WAAM成形钛合金构件进行组织调控以提升其性能。
通过优化热处理工艺，能够显著降低焊后残余应力，提高合金组织、性能的均匀性。Gou等[40]研究了WAAM成形钛合金试样沉积态和热处理态的微观组织及力学性能。结果表明：经900 ℃保温4 h、炉冷和1200 ℃保温2 h、炉冷，沉积态中针状马氏体α′相转变为α+β相；
相较于沉积态，热处理态试样的伸长率提高20.16%，但抗拉强度降低34.64%。何智等[41]在PAW电弧熔丝增材制造Ti-6Al-4V合金过程中引入超声冲击，实现了粗大柱状晶向等轴晶的转变，研究发现了未经超声处理的试样中存在粗大的柱状晶组织；
而经超声冲击处理的试样宏观组织中未见柱状晶的存在，取而代之的为细小的等轴晶。
通过热机械加工方法虽然能够优化显微组织，提高力学性能，但制备过程繁琐，制造成本升高。在WAAM增材过程中引入合金元素，实现冶金组织的原位调控正成为新的研究热点。Bermingham等[42]采用GTAW电弧熔丝增材制造Ti-6Al-4V合金试样，在Ti-6Al-4V合金焊丝表面涂抹B元素熔敷层，研究不同B含量对Ti-6Al-4V合金试样的微观组织及性能的影响。结果表明：B元素能细化粗大的β柱状晶并诱导柱状晶向等轴晶转变，有效消除β晶界及α集束，细小α等轴晶粒增多；
微量B元素的添加能显著降低其各向异性，使其压缩塑性提升约40%。
（3）典型构件的技术应用
近些年，国内外研究机构正在努力实现WAAM技术应用于制备航空装备涉及的各类钛合金结构件，英国克兰菲尔德大学率先与英国宇航系统公司、洛克希德˙马丁公司和庞巴迪公司开展了广泛的合作，成功制造出长度1.2 m的Ti-6Al-4V合金飞机翼梁、重达24 kg的起落架支撑外翼肋及其他复杂的零件[43]。此外，其孵化的WAAM 3D公司采用WAAM技术已成功制造出全尺寸原型的Ti-6Al-4V合金压力容器并在航天领域获得应用。挪威Norsk Titanium是国际上较早从事WAAM装备商业化、双等离子WAAM技术工艺开发及应用的公司。该公司开发的第Ⅳ代WAAM装备的最大成形尺寸为 0.9 m，最大沉积效率达到 10 kg/h，使用该设备成形的钛合金构件的力学性能达到锻件水平。目前，该公司的WAAM成形钛合金技术已获得了美国联邦航空管理局的TRL 8级认证并将7件WAAM成形钛合金零部件应用于波音787客机进行考核验证。
3.1 航空装备WAAM成形关键共性技术
（1）WAAM用高品质丝材制备技术
WAAM成形所需原材料丝材的直径受送丝机构的导丝嘴口径限制，通常有ϕ1.0 mm、ϕ1.2 mm、ϕ1.6 mm三种规格。WAAM技术制备航空航天领域用大型构件需要使用同牌号的原材料丝材以确保构件的性能，现阶段航空装备中适用于WAAM技术成形的目标零件所用材料为难变形材料，如ZL114A铝合金、TiAl金属间化合物[44]、A-100超高强度钢等均存在变形抗力大、加工硬化率高、伸长率低及室温难以变形等问题，采用常规加工方法减径制备出直径ϕ0.8～1.6 mm的丝材具有较大的技术难度，如何实现高品质、细规格及满足自动送丝系统使用要求的丝材制备是WAAM技术制备航空装备高性能零件的前提。
（2）WAAM技术专用丝材的成分设计及新材料开发
WAAM增材过程中热源产生的温度非常高，如TIG电弧最高温度达到8000 K，而PAW电弧最高温度则达到24000 K[45]。原材料丝材中的低沸点元素在高温作用下发生挥发，造成元素烧损，导致成形构件的低沸点元素偏低、化学成分不合格，从而严重影响构件的各项性能，严重时造成构件报废。因此，为获得高质量的WAAM增材构件，需对原材料丝材进行成分设计及优化，开发出适用于WAAM技术专用的直径ϕ1.2～1.6 mm的丝材。中国航发北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心针对航空装备中常用Al-Mg系、Al-Si系铝合金及TC11合金进行成分设计、优化，开发出WAAM技术专用Al-Mg-Sc系、Al-Si-Sc-Zr系铝合金丝材和高Al、O元素含量的TC11合金丝材。
（3）针对WAAM技术的路径规划软件开发
电弧熔丝增材制造技术虽然具有其独特的优越性，但在实际生产中存在两个问题[46]：弧坑塌陷导致的形状误差和过高的表面粗糙度。解决以上问题的主要方法则是依赖于路径规划方式的优化，路径规划方式的不同会对零件的几何形状精度、表面焊接质量、内部的显微组织和成形效率等造成影响[47]。现有的增材制造模型分层切片方法主要有光栅扫描式、轮廓偏移式及分型线路径填充方式，上述路径规划方式均是基于单一路径规划方式的分析，但由于WAAM成形实际零件的结构复杂性，单一的路径规划方式往往不能起到很好的效果，故开发WAAM技术专用的路径规划软件成为新的研究重点。Ding等[48]针对WAAM成形大尺寸、复杂形状的零件，提出了一种自动生成最优路径的算法。该算法首先基于分而治之的策略将二维几何图形分解成一组凸面多边形，然后，针对每个凸面多边形，识别出最优的扫描方向，并结合锯齿和轮廓模式策略生成连续的扫描路径。最后，所有单独的子路径连接起来形成一条闭合曲线。该算法自动生成的扫描路径不仅满足了WAAM的设计要求，还能获得表面精度更高的成形构件。黄无云[49]开展WAAM增材技术的路径规划GUI设计软件研究，设计了一款能够将工艺参数与模型设计相结合的路径规划软件，满足WAAM技术的多元化设计需求。
（4）WAAM成形过程中在线监控与反馈控制技术
研究表明，WAAM成形过程中气孔、开裂、变形及未熔合等冶金缺陷严重影响构件的成形质量，冶金缺陷的产生与熔池形态不稳定和温度不均匀分布密切相关。因此，采用视觉传感、红外测温传感、电参数传感等对温度、熔池形状以及电弧弧长等进行实时监控，进一步设计调控策略，及时调控成形工艺与过程是现阶段提高制造精度、确保成形件质量的重要手段[50]。Wu等[51]分别采用热电偶和红外高温计对GTAW电弧熔丝增材制造Ti-6Al-4V合金过程的基板与层间温度进行测量。结果表明：随着沉积层数的增加，基板温度和层间温度存在一定的差异，基板温度快速升高至一定温度后趋于平缓，而层间温度则会持续增加对材料成形的稳定性造成影响。基于层间温度的变化，分析热积累对成形时电弧形状和熔滴过渡行为的影响，为准确使用层间温度对WAAM成形工艺优化和控制提供了一定的参考价值。吕飞阅等[52]采用高速摄像仪观察了电弧熔丝增材制造过程中电弧形态及熔滴过渡行为，分析了在不同工艺参数下熔滴过渡频率及熔滴尺寸变化规律，发现电弧宽度与洛伦兹力决定熔滴在电弧放电过程中的受力大小，进而决定熔滴尺寸及其过渡频率。Ouyang等[53]设计了基于TIG电弧熔丝增材制造系统的弧长监控系统，该系统采用CCD视觉传感器监控电弧长度，通过调整Z轴的高度实现弧长控制并在沉积过程中调节电弧电流。
3.2 航空装备WAAM成形技术发展路线规划图
图6按照技术成熟度提出了现在至2035年航空装备WAAM成形技术发展路线规划图。
图6 航空装备WAAM成形技术发展路线规划图Fig.6 WAAM forming technology development route planning map for aviation equipment
WAAM是一种基于传统的电弧熔丝堆焊的增材制造技术，通过计算机系统实现机器人与操作平台的协同调控，具有沉积效率高、材料利用率高、制备周期短、低成本、柔性高效等特点，在航空装备制造上显示了巨大发展潜力和重要的应用前景。相较于目前发展较快的激光选区熔化技术，WAAM技术在航空装备上实现工程化应用还有一定距离，需要国内外不同学科背景的科研团队共同研究，突破现阶段WAAM技术面临的专用材料创新不足、路径规划软件单一、成形过程在线监控及反馈控制不智能等技术瓶颈，建立WAAM成形大型、中等复杂金属构件的尺寸精度-微观组织-力学性能-质量检测与分析的全流程工艺数据库，实现金属构件精准“控形/控性”。随着关键技术的突破，专用材料的开发、智能装备、工艺及软件的制造能力的提升，WAAM技术有望在航空装备大型、中等复杂铝合金、钛合金结构件的制造中得到快速和广泛的应用。
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