引言
鈦合金具有比強度高、密度低、耐腐蝕、耐熱性能好以及生物相容性優(yōu)異等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、新能源及生物醫(yī)療領(lǐng)域[1-2]。 但是，鈦合金具有鍛造溫度區(qū)間窄、變形抗力大、組織性能對生產(chǎn)環(huán)境敏感等工藝特征，使用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)加工鈦合金構(gòu)件時存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、材料利用率低、加工成本高[3-4]等缺點。 近年來，增材制造技術(shù)的發(fā)展為鈦合金構(gòu)件的生產(chǎn)制造提供了全新的思路[5]，該技術(shù)無需配套零件模具，通過逐層堆垛的方式制造實體零件[6]，可以有效減少工序，降低生產(chǎn)成本，具有廣闊的發(fā)展前景[7-9]。 相比于傳統(tǒng)的加工方式，增材制造在成型原理、原料形態(tài)以及制件性能等方面發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，被認為是制造業(yè)的一次革命性突破。 金屬材料的增材制造根據(jù)熱源的選取不同可以分為電弧增材制造（ Wire arc additive manufac-ture，Waam）、激光增材制造（ Laser additive manufacturinG，Lam）以及電子束增材制造（eLectron Beam additive manufac-ture，eBam）等技術(shù)[10]。 其中電弧增材制造技術(shù)以電弧作為熱源，采用逐層堆焊的方式制造實體零件，因具有加工成本低、沉積效率高等優(yōu)點[11]而被廣泛地應(yīng)用于鈦、鋁等金屬材料的增材制造。 Waam方法及概念的提出可以追溯到 1925年，ＹanG等[12]使用簡單的電弧焊接沉積了金屬的花托和裝飾性收納籃。 在鈦合金電弧增材制造中，由于逐層堆垛過程中會經(jīng)歷多次熱循環(huán)，凝固過程金屬過冷度高，溫度變化大，高溫 β相會轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌螒B(tài)的 α相，包括馬氏體 α′、馬氏體α″、針狀 α、晶界 α和網(wǎng)籃狀組織等。 這些不均勻的微觀組織及脆性相容易形成裂紋，影響整個構(gòu)件的力學(xué)性能[13-14]。 為改善電弧增材制造鈦合金的微觀組織及提高其力學(xué)性能，國內(nèi)外學(xué)者通過優(yōu)化加工工藝與冶金等方式對鈦合金增材組織進行調(diào)控。 maLinov等[15]發(fā)現(xiàn)，通過不同的熱處理，鈦合金中 α、α′、α″和 β相的比例會有所不同；何智等[16]研究了超聲沖擊對電弧增材制造鈦合金零件組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)超聲沖擊能夠使晶粒破碎為細小的等軸晶，并且隨著沖擊次數(shù)的增多，試樣的抗拉強度有所提高；mereddｙ 等[17]通過在電弧增材制造鈦合金時添加硅元素發(fā)現(xiàn)，隨著硅添加量的增加，晶粒尺寸逐漸減小。
當(dāng)前，鈦合金的電弧增材制造方法及微觀組織調(diào)控逐漸成為研究熱點，學(xué)者們圍繞著新型方法、增材制造后處理以及增材過程實時調(diào)控等方面進行了大量研究，但是系統(tǒng)性的綜述報道還很少，缺少對當(dāng)前研究工作的總結(jié)與展望。 本文針對鈦合金電弧增材制造工藝方法及微觀組織調(diào)控，首先介紹了不同的 Waam 系統(tǒng)，并對不同鈦合金電弧增材制造方
法進行了介紹與對比分析，提出了鈦合金電弧增材制造所面臨的主要問題和難點，在此基礎(chǔ)上重點綜述了當(dāng)前用于調(diào)控材料組織及性能的幾種輔助工藝，最后對鈦合金電弧增材制造的未來發(fā)展進行了展望。 本文可為鈦合金電弧增材制造技術(shù)提供基礎(chǔ)研究思路，為高效、高質(zhì)量鈦合金增材制造件的開發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)參考，對推動該技術(shù)的進一步應(yīng)用具有重要意義。
1、鈦合金電弧-絲材增材制造工藝
Waam系統(tǒng)由熱源、自動送絲系統(tǒng)、數(shù)控工作臺或機器人系統(tǒng)組成。 當(dāng)前 WaaW主要基于傳統(tǒng)焊接電弧進行優(yōu)化改造，按照熱源及送絲方式的不同，Waam 主要分為三種工藝：以鎢極氣體保護焊（Gas tunGsten arc WeL-dinG，GtaW）為熱源的旁軸送絲增材制造技術(shù)、以等離子弧焊（ PLasma arcWeLdinG，PaW）為熱源的旁軸送絲增材制造技術(shù)和以熔化極氣體保護焊（Gas metaL arc WeLdinG，GmaW）為熱源的同軸送絲增材制造技術(shù)，其特性如表 1所示[18]。
1.1 基于 GtaW的 Waam工藝
基于 GtaW的電弧增材制造技術(shù)利用鎢電極和基板之間產(chǎn)生的電弧來熔化焊絲，按照設(shè)定的路徑逐層沉積實體零件，如圖 1所示[19]。 在沉積過程中，送絲方向影響材料傳輸和沉積質(zhì)量，可采用后送絲、側(cè)送絲、前送絲等不同方式，鈦及鈦合金的增材制造通常采用前送絲。 隨著電弧長度的增加，屏蔽噴嘴與工件之間的距離相應(yīng)增加。 BaufeLd等[20-22]在GtaW熱源制備的電弧增材制造 tc4鈦合金中發(fā)現(xiàn)，其組織為粗大的外延生長 β柱狀晶，并且當(dāng)焊接方向發(fā)生改變后 β柱狀晶的指向也發(fā)生改變，如圖 2所示。 堆垛件的頂部和底部的組織也有所不同，頂部冷卻速度較快，組織為較細小的 α集束，底部在多次的熱循環(huán)作用下，組織為粗大的網(wǎng)狀 α 結(jié)構(gòu)。 WanG等[23-24]也發(fā)現(xiàn)了相似的 β 柱狀晶組織，并且研究了送絲速度對焊后組織轉(zhuǎn)變的影響。 當(dāng)送絲速度增加到一定程度時，柱狀 β 晶粒最終轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。 WanG 等[23-24]和BaufeLd等[20-22]也研究了電弧增材制造的鈦合金的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)鈦合金構(gòu)件在沉積方向及焊接方向上的力學(xué)性能存在各向異性。 其原因是初生的 β相貫穿整個試樣外延生長，從而造成各方向上組織與性能均存在差異。 鈦合金增材制造件顯微組織的不均勻性與其力學(xué)性能的各向異性有所關(guān)聯(lián)，因此可以通過優(yōu)化成型工藝參數(shù)來獲得組織均勻的鈦合金構(gòu)件，弱化各向異性，提升其綜合力學(xué)性能。
1.2 基于 PaW的 Waam工藝
PaW增材制造技術(shù)使用等離子弧作為熱源進行增材制造，等離子弧具有高電離度、高能量密度、高流速等特點，通過熱壓縮和機械壓縮等作用，等離子焊接中的電弧能量密度可以達到 GtaW的三倍，且具有電弧穩(wěn)定、沉積速度快、成型質(zhì)量高等優(yōu)點，圖 3 是一種基于 PaW 的 Waam 系統(tǒng)[25]。
martina等[26]利用 PaW增材制造方法制備了 tc4 鈦合金構(gòu)件，并研究了不同工藝參數(shù)對鈦合金成型特征及組織特征的影響。 通過改善工藝獲得了粗大 β柱狀晶粒，并建立工藝參數(shù)與堆垛件總壁寬、有效壁寬和層高之間的回歸模型。 Lin等[27]研究了等離子弧增材制造 tc4鈦合金的組織演化與力學(xué)特征。 研究表明，隨沉積層數(shù)的增加，通過逐漸減少電流以降低熱輸入，能夠減小 β 晶粒尺寸，但是 α 相在 β 晶粒內(nèi)分布不均勻，存在針狀馬氏體和魏氏體的混合組織，并且 α片層的寬度與沉積高度有一定聯(lián)系。
1.3 基于 GmaW的 Waam工藝
GmaW電弧增材制造技術(shù)是一種以熔化極氣體保護焊為熱源，將絲材均勻送入熔池熔化并快速凝固成型的增材制造方法。 20世紀(jì) 90 年代，sPencer 等[28]提出了采用 GmaW技術(shù)進行增材制造的方法來快速成型金屬模具。 但使用此方法時較大的熱輸入會導(dǎo)致材料存在較大的殘余應(yīng)力，且焊接過程中飛濺、煙塵較大。 目前 GmaW 常采用冷金屬過渡（coLd metaL transfer，cmt）方法，這是一種由 fronius 公司開發(fā)的脈沖短路焊接技術(shù)，cmt通過耦合焊接參數(shù)和焊絲移動確保受控熔滴轉(zhuǎn)移，采用此種工藝，能在較低的熱輸入下實現(xiàn)熔滴接觸過渡，減少飛濺。 Gou 等[29]通過研究 cmt 電弧增材制造制備 tc4構(gòu)件過程中熱輸入對增材構(gòu)件組織與性能的影響情況，發(fā)現(xiàn)一部分 α′馬氏體組織由于逐層沉積的熱循環(huán)過程而轉(zhuǎn)變?yōu)?α＋β 層狀的混合物，且 α 晶粒中出現(xiàn)了大量的位錯。 張飛奇等[30]以 tc4 鈦合金絲材為原料，采用cmt電弧增材制造得到堆積層底部為柱狀晶、頂部為等軸晶的組織結(jié)構(gòu)，在堆積區(qū)與熔合區(qū)均沒有馬氏體相。 值得注意的是，在使用 GmaW進行鈦合金的增材制造時，會出現(xiàn)電弧漂移，并且獲得的表面很粗糙，因此對鈦合金的電弧增材制造，還是以 GtaW和 PaW兩種工藝為主。
綜上所述，對于鈦合金電弧-絲材增材制造技術(shù)，GtaW、PaW和 GmaW三種工藝各有特點：GtaW工藝設(shè)備簡單，成本較低；PaW電弧能量密度高，可以獲得變形較小且成型良好的構(gòu)件；在 GmaW 工藝中，焊槍和焊絲同軸，簡化了路徑生成過程，其沉積速率是 GtaW 和 PaW 工藝的 2 ～ 3 倍，但穩(wěn)定性較差。 cmt電弧增材制造方法能夠精確控制熱輸入且實現(xiàn)較高的堆積效率，將成為未來制備鈦合金復(fù)雜大型構(gòu)件的一種有效方法。 Waam工藝還要與材料特性相匹配，零件的精度要求及結(jié)構(gòu)復(fù)雜情況將決定 Waam 工藝的選擇。
對鈦合金來講，GmaW會導(dǎo)致電弧漂移，影響構(gòu)件的成型質(zhì)量，GtaW和 PaW更適用于鈦合金，但由于其采用外部送絲的方式，增材構(gòu)件的成型質(zhì)量主要取決于堆垛過程中的送絲與電弧的穩(wěn)定性[32]，通過對送絲的控制，實現(xiàn)連續(xù)的搭橋熔滴過渡方式[33]，會獲得成型良好的優(yōu)質(zhì)零件。
2、電弧增材制造鈦合金的微觀組織調(diào)控
如前所述，Waam具有成本低、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點。 然而，Waam制造過程中涉及電弧熱源下液態(tài)金屬的非平衡凝固[34]，前一道金屬在逐層堆垛過程中，經(jīng)歷多次熱循環(huán)，這種獨特的熱特性會影響增材構(gòu)件的微觀組織、力學(xué)性能和殘余應(yīng)力分布[35]，這些問題嚴(yán)重限制了鈦合金增材制造構(gòu)件的使用壽命和應(yīng)用范圍。 因此，需要對增材制造的鈦合金進行組織調(diào)控以提升其性能，當(dāng)前主要有兩種調(diào)控方式：一種是在增材制造完成后對增材件進行后處理；另一種是在增材過程中的實時調(diào)控。
2.1 鈦合金增材件的后熱處理
大多數(shù) Waam制造的鈦合金增材件在垂直（構(gòu)建）方向上的強度和伸長率均低于沉積方向，這是由于柱狀 β晶粒通過為沉積方向上的張力提供顯著的損傷累積路徑來控制斷裂行為[36]。 當(dāng)沉積層中存在某些脆性相（如魏氏體相或針狀 α相）時，其延展性較弱。 較大的柱狀 β晶有助于提升延展性，但可能導(dǎo)致強度降低[37]。 通過使用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕梢杂行У乜刂坪驼{(diào)整金屬合金所需的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，降低焊后殘余應(yīng)力，提高材料合金的組織均勻性和性能，提高構(gòu)件的塑性及延長構(gòu)件的疲勞壽命[38]。 WautｈLe等[39]發(fā)現(xiàn)對 tc4成型件進行去應(yīng)力熱處理可有效促進 α′馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶庀?α 片晶。 Gou 等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng) 900 ℃和1 200 ℃熱處理后，馬氏體 α′相全部轉(zhuǎn)變?yōu)?α＋β相，且顯著提升組織的硬度和延伸率。 BrandL等[40]采用高溫固溶＋淬火＋退火熱處理鈦合金堆垛件，發(fā)現(xiàn) tc4堆垛件組織中柱狀 β晶大量轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睿@著降低了材料的各向異性。 多階段后熱處理工藝可生產(chǎn)出強度和延展性符合要求的產(chǎn)品，但其缺點是不經(jīng)濟且耗時，因此，通常采用單階段后熱處理來提高塑性、增強強度、消除脆性相和細化晶粒（主要針對柱狀晶）。
2.2 層間冷卻
圖 5為層間冷卻的 Waam 系統(tǒng)的示意圖。 可移動氣體噴嘴具有提供氬氣、氮氣或 co2 氣體的功能，用于在每個沉積層上提供主動的強制冷卻，該工藝可以控制鈦合金層間熱循環(huán)溫度在一定范圍內(nèi)，使獲得的鈦合金具有所需的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，有助于提高鈦合金的硬度和機械強度[41]。
ding等[42]的研究表明，當(dāng)使用壓縮氣體進行層間強制冷卻來制造 tc4薄壁結(jié)構(gòu)時，層間冷卻減少了 tc4 表面氧化，細化了顯微組織，提高了硬度和強度。 此外，由于沉積層之間的停留時間縮短，制造效率顯著提高。
2.3 噴丸和超聲波沖擊處理
噴丸和超聲波沖擊處理已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品中，這兩種技術(shù)都是使用高能介質(zhì)沖擊材料表面，通過在材料表面施加壓縮應(yīng)力，使零件中產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，從而細化表層晶粒，使晶粒取向隨機化，進而提高零件的機械強度[43]。 經(jīng)過超聲波沖擊處理后，Waam 制備的 tc4 零件的表面殘余應(yīng)力可降低至 58％，顯微硬度可提高 28％。 此外，表面改性層經(jīng)過塑性變形，晶粒顯著細化，位錯密集。ＹanG等[44]將 GtaW焊槍與超聲波沖擊處理頭相連來制造 tc4構(gòu)件，沉積過程結(jié)束后，立即在沉積件表面施加兩次超聲波沖擊。 原有 β晶粒的宏觀結(jié)構(gòu)由粗化的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶和短柱狀晶的交替分布。 Gou等[45]采用 GmaW進行 tc4鈦合金增材制造時添加超聲波噴丸處理，在每個電弧熄滅后從部件的三個方向進行超聲波噴丸，沉積的 tc4部件中柱狀 β晶和次生 α晶粒顯著細化。 超聲波沖擊處理技術(shù)受到穿透深度的限制，穿透深度約為表面以下 60 μm。 因此，盡管這兩種技術(shù)都是良好的后機械處理，但它們只能改善表面層的材料性能，且作用范圍有限。
2.4 添加元素冶金原位調(diào)控
熱處理及機械處理方法雖然在優(yōu)化微觀組織、提高力學(xué)性能以及緩解殘余應(yīng)力等方面起著關(guān)鍵作用，但過程較為繁瑣，提高了制造成本，延長了制造周期。 近年來，除了在工藝方法上調(diào)整外，添加元素冶金調(diào)控方法成為前沿的增材制造調(diào)控方法。 在增材制造過程中引入元素，其一可以通過改變?nèi)鄹膊牧匣蛘呤褂盟头燮魉腿胍欢糠勰﹣硖砑樱涠梢酝ㄟ^改變保護氣成分的方式引入元素。 BerminGｈam等[46]在tc4鈦合金焊絲表面涂抹了兩種不同配比的 B元素熔覆層，發(fā)現(xiàn) B元素可以有效消除鈦合金 α晶界和團束組織，細小 α等軸晶也會有所增加，降低各向異性，原始柱狀 β 晶粒也變得更加狹小，微量元素 B 的添加使其壓縮塑性提升約40％。
此外，添加微量的 nB、si、La2O3 等也可顯著細化晶粒[4749]。改變保護氣成分的方法就是利用保護氣氛與熔池發(fā)生冶金作用，實現(xiàn)組織的原位強化。 黃健康等采用 GtaW 或 PaW作為熱源，在氬氣保護氣體中混入一定比例的氮氣來原位生成 tin增強相[50-51]。 研究結(jié)果表明，在氮氣比例較低時組織中形成了 tin樹枝晶，當(dāng)不斷增加氮氣比例后樹枝狀的 tin逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀。 氮原子作用的示意如圖 6所示，氮氣分子在高溫下電離成原子態(tài)，在熔池表面吸附并擴散至內(nèi)部，最后與 ti原子結(jié)合生成 tin相。 對堆垛的鈦合金材料進行力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，氮氣流量的增加能夠顯著提升材料的抗壓強度。 此外，ＨuanG等還研究了在保護氣中混入CO2氣體時的作用，發(fā)現(xiàn)在組織中生成了大量的tiox和tic相，且其含量隨著CO2通入量增加而增加。 因為 tioｘ 相和 tic相的存在，材料的顯微硬度和耐蝕性也有所增加[52]。
3、展望
近年來，市場對鈦合金增材制造產(chǎn)品的需求及質(zhì)量要求越來越高，迫切需要提高鈦合金增材制造水準(zhǔn)。 鈦合金在逐層堆垛過程中經(jīng)歷多次熱循環(huán)，整個過程是一個非平衡熱過程，并且在增材制造過程中，材料往往存在復(fù)雜的物理化學(xué)冶金變化，以上過程影響因素眾多，涉及材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝過程、后處理等諸多因素，但當(dāng)前的研究工作仍主要集中在材料組織分析、性能規(guī)律描述階段，并未對冶金機理及理論進行深入研究，這也使得增材制造過程的材料—工藝—組織—性能關(guān)系往往難以準(zhǔn)確把握，難以實現(xiàn)有效控制。 因
此，未來應(yīng)進一步研究 Waam 工藝中潛在的物理化學(xué)冶金機理，從而為工藝優(yōu)化以及組織控制提供指導(dǎo)。
另一方面，如何對增材制造工藝中的殘余應(yīng)力變形分布、成型精度和微觀組織演變進行物理建模分析及預(yù)測仍是一個挑戰(zhàn)，通過數(shù)值模擬技術(shù)可以大大縮短試驗周期，有效驗證試驗中的相關(guān)基本理論，當(dāng)前對微觀組織演化的數(shù)值分析及相關(guān)的熱力學(xué)動力學(xué)計算的研究較少，已有的數(shù)值模型研究主要集中于移動熱源對熔池特征、溫度分布及柱狀晶組織的影響規(guī)律，但是隨著數(shù)值分析手段的不斷完善和豐富，數(shù)值模擬將在電弧增材制造領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。 此外，人工智能也將在 WaaW 加工過程中得到更多的應(yīng)用。 例如：基于深度學(xué)習(xí)的模式識別技術(shù)可以用來實現(xiàn)熔池分類、表面缺陷檢測等信號分析；強化學(xué)習(xí)可用于實現(xiàn) Waam 的機器人路徑自主規(guī)劃、參數(shù)優(yōu)化和過程控制；大數(shù)據(jù)的概念將有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和處理，從而改進 Waam的 cad設(shè)計、工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制。
4、 結(jié)語
鈦合金電弧增材制造技術(shù)作為先進的鈦合金加工制備技術(shù)，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?通過對國內(nèi)外鈦合金增材制造過程中的工藝方法及微觀組織調(diào)控的總結(jié)與對比分析，可獲得如下主要結(jié)論：
（1）對于鈦合金電弧絲材增材制造技術(shù)，按照熱源分類主要有 GtaW、 PaW 和 GmaW 三種工藝。 對于鈦合金，GmaW會導(dǎo)致電弧漂移，并且獲得的表面很粗糙。 當(dāng)前對于鈦合金的電弧增材制造，還是以 GtaW和 PaW兩種工藝為主。
（2） 鈦合金電弧增材制造的組織具有一定的不均勻性以及力學(xué)性能的各向異性。 可以根據(jù)需要，選擇在增材制造過程中或增材制造后借助輔助工藝來優(yōu)化鈦合金的組織及性能。 在增材制造后處理中，通過熱處理來消除脆性相、細化晶粒、降低各向異性；另外，可以在增材制造過程中進行組織優(yōu)化，如使用層間冷卻、噴丸和超聲波沖擊、添加合金元素等方式來改善鈦合金組織，其中，添加合金元素通過冶金調(diào)控的方式可以原位生成增強相，因其可以實時調(diào)控材料的成分及組織，將成為未來鈦合金增材制造的研究熱點。
（3）電弧增材制造鈦合金微觀組織的調(diào)控已有一定研究成果，但大多還處于試驗研究階段，對深層次的成型機理的研究還有所欠缺。 因此，未來應(yīng)進一步研究 Waam 工藝中存在的物理化學(xué)冶金機理，并結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)對微觀組織的演化進行預(yù)測，以及借助人工智能技術(shù)實現(xiàn)電弧增材過程的智能化，這將有助于推動 Waam在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。
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