鋁合金因其良好的耐腐蝕性、高的強(qiáng)度重量比以及能夠與多種金屬和非金屬合金化的獨(dú)特性能，近乎成為最具吸引力和最經(jīng)濟(jì)的金屬，尤其是鋁/銅、鋁/硅、鋁/鋰和鋁/鎂/鋰合金在現(xiàn)代工藝中，特別是在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

鋁合金具有較低的激光吸收率，與電子束作用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大的元素?zé)龘p；鋁合金比重低，極易氧化，使得制粉過(guò)程困難，成本高，容易形成微氣孔等缺陷，基于PBF和DED的AM技術(shù)針對(duì)鋁合金的研究甚少。與粉末相比，目前市場(chǎng)上可以采購(gòu)到從1系到5系共30多種牌號(hào)的鋁合金絲材，且絲材的成本可以控制在粉末的1/10內(nèi)，這使得WAAM技術(shù)成為鋁合金增材制造的最佳方式，特別是針對(duì)航空航天領(lǐng)域的中大型結(jié)構(gòu)的各種肋板結(jié)構(gòu)，比如運(yùn)載火箭的艙壁、飛機(jī)翼梁、桁梁等的高效低成本制造。

2.1 鋁合金WAAM工藝

針對(duì)鋁合金WAAM成形，在早期針對(duì)性能和工藝圍繞GTAW技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。Wang等探討了變極性GTAW工藝的適用性，針對(duì)Al-Si系4043鋁合金進(jìn)行了研究，成形的圓筒結(jié)構(gòu)從底部、中部到頂部，成形部件的硬度呈遞增趨勢(shì)，頂部有細(xì)小的等軸晶，中部和底部有粗大的柱狀晶。Ouyang等采用變極性GTAW工藝成形出5356鋁合金零件，指出影響成形件尺寸精度和表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素是控制基本溫度、層間溫度以及電弧長(zhǎng)度。國(guó)內(nèi)耿海濱等人采用GTAW技術(shù)針對(duì)5A06鋁合金進(jìn)行了成形工藝分析，優(yōu)化了層間溫度和熱輸入對(duì)組織和性能的影響，建立了幾何工藝參數(shù)對(duì)沉積尺寸的影響模型，同時(shí)針對(duì)成形路徑進(jìn)行優(yōu)化。天津大學(xué)的胡繩蓀教授團(tuán)隊(duì)采用GTAW和雙脈沖GMAW技術(shù)對(duì)鋁鎂合金成形過(guò)程的工藝參數(shù)優(yōu)化、熔池液滴過(guò)渡方式和力學(xué)性能進(jìn)行了分析。挪威科技大學(xué)的Horgar等人針對(duì)AA5183鋁合金進(jìn)行了GMAW增材工藝研究，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為293MPa和145MPa，可進(jìn)一步優(yōu)化工藝以減少氣體孔隙度和熱裂紋。西安交通大學(xué)的Chang等人利用WAAM制備了由2319（Al-6.5Cu）和5B06（Al-6.4Mg）異種合金組成的部件，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為258.5MPa、139.3MPa和5.6%。克蘭菲爾德大學(xué)的Stewart教授團(tuán)隊(duì)作為WAAM技術(shù)發(fā)展的引領(lǐng)者，針對(duì)2219合金的WAAM成形工藝參數(shù)、氣孔分布缺陷以及力學(xué)性能進(jìn)行了分析，截至目前Cranfield大學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)6m、質(zhì)量達(dá)300kg的Al-Si合金成形。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的柏久陽(yáng)采用GTAW技術(shù)針對(duì)2219鋁合金進(jìn)行了工藝摸索和熱處理強(qiáng)化研究，沉積態(tài)2219鋁合金的平均屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為108MPa、239MPa和10.7%，與常規(guī)鑄造2219鋁合金仍有較大差距。

CMT工藝具有低的熱輸入，可對(duì)焊絲表面進(jìn)行有效的氧化皮清理，且其成形組織細(xì)小且氣孔缺陷較少，已成功地用于鋁板焊接和鋁合金增材制造。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的姜云祿對(duì)CMT增材制造沉積態(tài)5356鋁合金進(jìn)行固溶熱處理，并考察熱處理對(duì)力學(xué)性能的影響。武漢大學(xué)的Zhang等針對(duì)Al-6Mg合金采用變極性CMT模式進(jìn)行了工藝研究，沉積樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到333MPa，但是因?qū)娱g氣孔的存在，不同方向的抗拉強(qiáng)度變化幅度達(dá)到27%，如圖7所示。南京理工大學(xué)的王克鴻教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)5356鋁合金采用CMT工藝進(jìn)行了成形工藝研究，抗拉強(qiáng)度最優(yōu)值達(dá)到265MPa。胡繩蓀教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)鎂/鋁異種金屬的連接進(jìn)行了CMT焊接研究，獲得了類似熔釬焊的焊接接頭，并對(duì)CMT工藝過(guò)程的液滴過(guò)渡進(jìn)行了分析。北京航空航天大學(xué)叢保強(qiáng)等指出與采用脈沖CMT和交變CMT工藝沉積的墻結(jié)構(gòu)相比，塊結(jié)構(gòu)中氣孔數(shù)量較少，且有部分孔徑大于50μm，但沒有很大的氣孔。此外，在塊結(jié)構(gòu)中，具有較低的熱輸入交變CMT顯示出比脈沖CMT更少的氣孔數(shù)量。叢保強(qiáng)等人計(jì)算了在送絲速度和焊接速度不變時(shí)，常規(guī)CMT、脈沖CMT、交變CMT和脈沖交變CMT技術(shù)的實(shí)際熱輸入分別為331.6J/mm、366.8J/mm、273.4J/mm和135.4J/mm。在相同的沉積速率下，交變CMT和交變脈沖CMT工藝的熱輸入是傳統(tǒng)CMT工藝的0.82和0.4倍。對(duì)于傳統(tǒng)的GMAW過(guò)渡工藝，采用常規(guī)熱輸入通常高于400J/mm；然而，對(duì)于噴射過(guò)渡，該值約為1000J/mm。西安交通大學(xué)的研究人員針對(duì)2219和5183鋁合金進(jìn)行了CMT成形基礎(chǔ)工藝研究，確定了成形2219鋁合金和5183鋁合金的最佳模式和工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)采用CMT+交流脈沖（CMT+P）模式下2219鋁合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)283MPa，采用CMT和交流（CMT+A）模式下5183鋁合金的拉伸強(qiáng)度可達(dá)290MPa。

Al-6Mg合金WAAM工藝氣孔分布

2.2 氣孔缺陷

氣孔是WAAM工藝成形鋁合金的一個(gè)常見缺陷，對(duì)構(gòu)件機(jī)械性能具有不良影響，故需要減少氣孔缺陷。因原材料和工藝誘發(fā)的氣孔帶來(lái)的微裂紋損傷不僅會(huì)降低構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度，而且氣孔在空間上的尺寸、形狀和分布會(huì)導(dǎo)致沉積層的疲勞性能較低。電弧增材制造的原材料，包括絲材和基板，通常有一定程度的表面污染，例如水分、油脂和其他烴類化合物，這類化合物難以完全去除，而這些污染物很容易被吸收到熔池中，并在凝固時(shí)產(chǎn)生氣孔。由于氫在固體和液體中的溶解度）明顯不同（熔點(diǎn)溫度660℃時(shí)，分別為0.036cm3/kg和0.69cm3/kg），即使是少量的液態(tài)溶解氫在凝固后也可能超過(guò)溶解度的極限，從而導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生。因此，原材料的清潔度對(duì)增材制造成形工藝至關(guān)重要，特別是對(duì)于鋁合金。

工藝誘發(fā)的氣孔通常是非球形的，主要是不合理的路徑規(guī)劃和不穩(wěn)定的沉積工藝引起的。鋁合金中氣孔的形成與焊道熔深、熱輸入、枝晶生長(zhǎng)以及晶粒的形狀和尺寸密切相關(guān)。叢保強(qiáng)等人比較了不同的CMT工作模式，如常規(guī)CMT、脈沖CMT、交變CMT和脈沖交變CMT對(duì)氣孔形成的影響。研究發(fā)現(xiàn)，較高的熱輸入、較大的熔深和隨后形成的粗柱狀晶粒阻止了常規(guī)CMT中氫的逸出，出現(xiàn)了大量氣孔，孔徑在10~100μm之間。小孔匯聚是形成尺寸大于100μm大孔的主要原因。與常規(guī)CMT相比，脈沖CMT相對(duì)較淺的熔深減小了氫的逸出距離，同時(shí)較小的晶粒尺寸也是該模式氣孔較少且不存在100μm以上氣孔的原因。在交變CMT模式中，細(xì)小等軸晶粒、較低熱輸入、較淺熔深和極性交替產(chǎn)生氧化物的清潔效果可有效地幫助氫逸出，因而沒有孔徑大于50μm的氣孔。采用交變脈沖CMT模式，樣件不存在孔徑大于10μm的氣孔。

可熱處理和不可熱處理鋁合金的氣孔形成與合金元素組分密切相關(guān)。可熱處理合金中氣孔的形成是由于共晶相（如Al2Cu）的成核（冷卻期間）和溶解（加熱期間）。東北大學(xué)的顧江龍等人對(duì)CMT增材制造2219鋁合金進(jìn)行了研究，并對(duì)比了沉積態(tài)、沉積—時(shí)效態(tài)和沉積—碾壓—時(shí)效態(tài)的組織與力學(xué)性能。CMT增材制造的2219鋁合金中存在一種小孔（尺寸為5~20μm），該小孔受到枝晶間隙的影響，枝晶間隙將迫使孔隙分離，阻止大孔的形成。熱處理后，由于共晶相的完全溶解而產(chǎn)生空位，導(dǎo)致小孔數(shù)目大幅增加。在不可熱處理合金中，揮發(fā)性物質(zhì)（Mg）的存在以及合金元素組分對(duì)金屬凝固的影響是形成氣孔的主要原因。

2.3 強(qiáng)韌化技術(shù)

電弧增材制造構(gòu)件需要通過(guò)適當(dāng)?shù)暮筇幚砉に噥?lái)改善材料性能，降低其表面粗糙度和氣孔率，并消除殘余應(yīng)力和變形。針對(duì)鋁合金，沉積成形的鋁合金零件機(jī)械性能較鍛造狀態(tài)存在較大差距。為了獲得更高的抗拉強(qiáng)度，大多數(shù)沉積態(tài)鋁合金構(gòu)件需要通過(guò)后處理來(lái)重構(gòu)微觀組織。

熱處理是電弧增材制造工藝中廣泛使用的一種降低殘余應(yīng)力、提高材料強(qiáng)度和硬度的方法。熱處理工藝合適與否取決于目標(biāo)材料、增材制造方法、工作溫度和熱處理?xiàng)l件。如果熱處理不當(dāng)，在機(jī)械載荷作用下，由于現(xiàn)有殘余應(yīng)力與載荷應(yīng)力的組合超過(guò)材料的設(shè)計(jì)極限，很可能造成裂紋的增加。Gu等發(fā)現(xiàn)針對(duì)Al-Cu6.3%合金，通過(guò)T6熱處理后的性能可提升超過(guò)75%。

層間冷軋已被證明能有效地誘導(dǎo)晶粒細(xì)化，降低電弧增材制造過(guò)程中鋁合金、鋼和鈦合金的各向異性和殘余應(yīng)力，以及提高幾何可重復(fù)性。WAAM工藝中，沉積層熱量梯度和交替加熱、冷卻過(guò)程導(dǎo)致目標(biāo)構(gòu)件具有各向異性的顯微組織演變和力學(xué)性能。冷軋工藝通過(guò)塑性變形可顯著降低沉積層組織的各向異性。圖8展示了克蘭菲爾德大學(xué)開發(fā)的層間冷軋系統(tǒng)示意圖。帶槽滾筒通過(guò)提供外力來(lái)重構(gòu)零件的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其縱向抗拉強(qiáng)度。

WAAM工藝層間軋制強(qiáng)化裝置示意

層間冷軋對(duì)于電弧增材制造鋁合金構(gòu)件中氫氣孔的愈合也起著關(guān)鍵作用。軋制壓力對(duì)氣孔結(jié)構(gòu)影響很大，冷軋工藝會(huì)產(chǎn)生高密度位錯(cuò)和空位，這些位錯(cuò)和空位可以充當(dāng)原子氫吸收的優(yōu)先位點(diǎn)和溢出通道。Gu等人研究了層間冷軋和沉積后熱處理對(duì)可熱處理和不可熱處理鋁合金氣孔演變的影響。在可熱處理合金中，當(dāng)采用如圖9所示的滾壓裝置，施加15kN和30kN載荷時(shí)，氣孔數(shù)量和氣孔面積分別減少68.7%和99.1%，以及83.5%和97.2%；在相同的軋制條件下，對(duì)于不可熱處理合金，氣孔數(shù)量分別減少25.9%和97.5%，氣孔面積分別減少73.7%和97%。與層間冷軋相比，沉積后熱處理可明顯提高強(qiáng)度。層間冷軋不僅有利于降低氣孔率，而且對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)也有很大的影響。晶粒尺寸和晶粒取向角隨加載條件的變化而變化，隨著載荷的增加，晶粒尺寸變小，取向角變小。

WAAM工藝中使用的滾壓裝置實(shí)物

但由于軋制工藝的幾何尺寸限制，這種技術(shù)僅適用于簡(jiǎn)單的沉積構(gòu)件，如單道墻。對(duì)于具有曲線和拐角的復(fù)雜零件，需要開發(fā)專用的模具來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的軋制過(guò)程，這限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。冷軋技術(shù)可以減少殘余應(yīng)力，但是減少零件整體變形的能力還有待考證。

西安交通大學(xué)則通過(guò)層間錘擊、激光沖擊等強(qiáng)化手段提升WAAM成形樣件的成形質(zhì)量。基于CMT的WAAM技術(shù)已被廣泛認(rèn)為是制造大尺寸鋁合金部件的合適方法，然而沉積鋁合金的不良機(jī)械性能阻礙了其在航空航天工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。與沉積樣品相比，層間錘擊樣品的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高度精細(xì)的晶粒，50.8%變形樣品的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度分別從148.4MPa、288.6MPa提高到240.9MPa、334.6MPa。再結(jié)晶的晶粒可以在隨后的錘擊中進(jìn)一步變形，這導(dǎo)致了位錯(cuò)密度的增加，并有助于提高層間錘擊加制的2319鋁合金的極限抗拉強(qiáng)度。

層間錘擊設(shè)備樣機(jī)

激光沖擊強(qiáng)化（lasershockpeening，LSP）是通過(guò)改變金屬材料的次表面微觀結(jié)構(gòu)來(lái)提高其機(jī)械性能。然而，對(duì)于LSP工藝是否能獲得晶粒細(xì)化仍存在爭(zhēng)議。西安交通大學(xué)研究了LSP對(duì)金屬材料的影響，選擇7050鋁合金和316L不銹鋼，它們分別是典型的高和低堆積斷層能（SFE）材料。通過(guò)電子背散射衍射（EBSD）說(shuō)明了不同的LSP周期和能量密度對(duì)這兩種材料微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示，無(wú)論激光周期和能量密度如何變化，都沒有觀察到晶粒細(xì)化。最明顯的變化是位錯(cuò)密度增加，隨著LSP循環(huán)和能量密度的增加，觀察到更高的位錯(cuò)密度。對(duì)LSP處理過(guò)的區(qū)域周圍的硬度和殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量表明，LSP能夠有效地引入600~1300μm的塑性變形層。拉伸試驗(yàn)表明，兩種材料的屈服強(qiáng)度在LSP處理后都得到了改善。此外，在LSP工藝的基礎(chǔ)上，提出了一種新的方法來(lái)計(jì)算金屬材料的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。

（a）制作墻體樣件；（b）制備測(cè)試樣品；

（c）使用由Nd∶YAG脈沖激光器和庫(kù)卡機(jī)器人組成的LSP系統(tǒng)進(jìn)行處理

圖11　激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程示意

由于WAAM成形樣件有相當(dāng)大的內(nèi)部孔隙率，零件通常表現(xiàn)出較差的拉伸和疲勞性能。西安交通大學(xué)將激光沖擊強(qiáng)化（LSP）作為一種后處理方法應(yīng)用于WAAM成形的2319鋁合金。通過(guò)在材料表面進(jìn)行LSP處理，產(chǎn)生了厚度1.3mm的影響層，峰值硬度和屈服強(qiáng)度分別提高30.2%和151.2%。在集中的孔隙缺陷周圍的集中殘余應(yīng)力的作用下，孔隙的數(shù)量密度減少了65.3%，而塌陷的減少了65.3%，同時(shí)觀察到大尺寸孔隙的塌陷，孔隙密度降低了65.3%，疲勞壽命延長(zhǎng)了一倍。

國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學(xué)盧秉恒院士團(tuán)隊(duì)利用電弧熔絲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1米級(jí)鋁合金火箭貯箱的一體化成形，在此基礎(chǔ)上通過(guò)增減材一體化制造技術(shù)，制造完成了世界上首件10m級(jí)高強(qiáng)鋁合金重型運(yùn)載火箭連接環(huán)樣件，在整體制造的工藝穩(wěn)定性、精度控制及變形與應(yīng)力調(diào)控等方面均實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)突破。

（a）1 米級(jí)火箭貯箱（b）10米級(jí)火箭連接環(huán)

圖12 高強(qiáng)鋁合金電弧增材制造一體化成形案例