發(fā)展了一種絲材等離子體弧-激光復(fù)合增材制造技術(shù);該復(fù)合增材制造工藝呈現(xiàn)出比單獨(dú)使用等離子體和單獨(dú)使用激光更明顯的優(yōu)勢。獲得了優(yōu)化的復(fù)合工藝參數(shù)。提出一個(gè)多個(gè)能量源(兩個(gè)激光+一個(gè)PTA)的概念來克服標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合工藝的限制。
成果摘要:
在本研究中,提出一個(gè)新穎的以線材為基礎(chǔ)的等離子體?。≒TA)—激光的復(fù)合增材制造技術(shù)來沉積大體積的鈦合金部件,沉積時(shí)具有高的沉積速率和幾乎為近凈成形。優(yōu)化的工藝,包括熱源的布局,送絲的位置以及弧—激光的分離距離等均給予了研究。采用復(fù)合增材制造工藝比單獨(dú)使用PTA和單獨(dú)使用激光增材制造的優(yōu)勢要明顯的多。研究結(jié)果表明,同單獨(dú)使用PTA相比較,復(fù)合工藝拓展了能量的分布和熔池的尺寸,使得絲材有更多的時(shí)間同熱源進(jìn)行相互作用,從而可以產(chǎn)生更高的沉積速率。同單獨(dú)使用激光相比較,復(fù)合工藝具有更高的絲材熔化效率和絲材位置的精度更高。由于在兩個(gè)熱源處具有更多的能量分布,在復(fù)合工藝中形成匙孔的可能性就比單獨(dú)使用PTA要低得多。復(fù)合工藝的最佳配置是PTA作為先行的熱源結(jié)合前部的送絲一起工作。在這一配置中,PTA用來熔化原材料,激光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(jìn)行單獨(dú)控制變得比較容易。一套多層薄壁墻部件進(jìn)行了構(gòu)建來驗(yàn)證復(fù)合工藝的可行性,顯示了這一復(fù)合工藝進(jìn)行制造工程部件的可行性。結(jié)果表明復(fù)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(shí)現(xiàn)了近凈成形的目的。但該復(fù)合工藝的一個(gè)缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)底層進(jìn)行重熔。為了克服這一缺點(diǎn),一個(gè)多熱源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更加均勻的能量分布的方案提出來來解決這一問題。
圖1: (a)PTA-激光復(fù)合增材制造工藝的示意圖;(b) 該示意圖的側(cè)視圖,采用紅色的點(diǎn)線來顯示,示于圖(a)中.
成果簡介:
能量直接沉積(DED)增材制造(AM)由于同傳統(tǒng)的鑄造,鍛造相比較,具有交貨時(shí)間短,材料浪費(fèi)少以及設(shè)計(jì)自由,柔性加工等優(yōu)點(diǎn)而在近年來得到了快速的發(fā)展。絲材DED增材制造技術(shù)同粉末AM技術(shù)相比較,具有沉積效率高和材料浪費(fèi)少的優(yōu)點(diǎn),從而成為潛在的具有高沉積速率和近凈成形的優(yōu)點(diǎn),從而在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用,如航空航天,能源電力等。取決于能量熱源的不同,絲材DED AM技術(shù)主要有三大類,分別是電子束自由成形增材制造,絲材激光增材制造,絲材電弧增材制造。電子束絲材AM由于需要在真空室中進(jìn)行操作,造成設(shè)備成本的投入相對(duì)比較大,低占空比和長的冷卻時(shí)間,由此造成該技術(shù)的應(yīng)用面相對(duì)比較窄。絲材激光DED技術(shù)是一種近凈成形技術(shù),可以單獨(dú)控制激光功率和能量分布,從而使得該技術(shù)可以獲得穩(wěn)定的熔化和避免匙孔效應(yīng)的形成。然而,由于大多數(shù)金屬對(duì)激光的吸收率均比較低,要獲得高的沉積速率往往需要的激光功率會(huì)比較高。這就導(dǎo)致能量的分布變化比較大。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(shù)當(dāng)中,使用等離子體弧焊工藝,同激光相比較,由于具有高的能量轉(zhuǎn)換效率,具有較為理想的沉積速率(如以鈦合金為例,可以達(dá)到1kg/h),使得利用該技術(shù)制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,同絲材激光DED不同的是,幾乎不可能同激光一樣能量波動(dòng)會(huì)比較大。因此,在當(dāng)前需要高的沉積速率,如達(dá)到如同激光沉積的匙孔效應(yīng)條件下的高速率,從而限制了其沉積速率的進(jìn)一步增加。同絲材DED AM技術(shù)和絲材激光DED增材技術(shù)相比較,可以發(fā)現(xiàn)每一個(gè)工藝都存在自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。因此,絲材PTA-激光復(fù)合AM DED工藝的研究,結(jié)合兩者熱源的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)高的沉積速率,無缺點(diǎn)和近凈成形的概念應(yīng)運(yùn)而生。
圖2: 不同的配置和運(yùn)動(dòng)方向(使用粉色箭頭表示):(a)絲材首先使用PTA進(jìn)行輻照, (b)絲材首先使用激光進(jìn)行輻照 。
對(duì)于電?。す鈴?fù)合AM技術(shù),在過去的幾年里,只有很少的文獻(xiàn)給予了報(bào)道,并且大多數(shù)都是基于氣體保護(hù)焊( gas metal arc (GMA)。這是因?yàn)镚MA工藝在路徑規(guī)劃上同鎢極電弧焊和PTA相比較,具有高的耐受性,這是因?yàn)樵摷夹g(shù)在使用的時(shí)候消耗電極(即絲材)和火焰是同軸的.此外,其沉積速率相對(duì)來說也比較高,在單絲的時(shí)候就可以達(dá)到 3kg/h.在使用串聯(lián)工藝的時(shí)候,使用鋼鐵材料可以達(dá)到9.5kg/h.Nsstrm 等人曾經(jīng)研究了冷金屬轉(zhuǎn)移(cold metal transfer (CMT))?。す鈴?fù)合AM工藝來沉積鋼,同僅僅使用CMT進(jìn)行沉積,CMT伴隨先導(dǎo)激光,CMT伴隨尾隨激光進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果發(fā)現(xiàn),CMT伴隨尾隨激光的配置提高了工藝穩(wěn)定性和由此提高了表面的粗糙度和形狀的穩(wěn)定性. Pardal等人則研究了引入能量激光作為CMT為基礎(chǔ)的絲材增材制造鈦合金的第二熱源.同CMT技術(shù)相比較,復(fù)合工藝可以起到穩(wěn)定電弧,導(dǎo)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(fù)合AM制造鋁合金時(shí)得到了類似的結(jié)果.他們發(fā)現(xiàn)同GMA工藝相比較,部件的表面質(zhì)量在增加了激光進(jìn)行復(fù)合之后得到了顯著的提高,同時(shí)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(chǔ)的AM技術(shù)在增加激光后對(duì)表面成形質(zhì)量的影響上.這是因?yàn)镚MA工藝的消耗電極是不穩(wěn)定的,從而導(dǎo)致表面粗糙度相對(duì)較差.此外,對(duì)于有些材料如鈦合金的工作功效比較低,陰極點(diǎn)不在某一點(diǎn)固定,電子會(huì)在較大的區(qū)域發(fā)射,導(dǎo)致電弧漂移.此外,鈦合金表面的表面張力比較大,導(dǎo)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,采用GMA工藝沉積鈦合金的時(shí)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(fā)射是從鎢極(熱離子發(fā)射)發(fā)射出來的,其電弧是穩(wěn)定的,從而造成該工藝在沉積鈦合金的時(shí)候是比較適合的.
圖 3 (a) MES在配備一個(gè)PTA和兩個(gè)單獨(dú)的激光的配置圖, (b)三個(gè)能量源的相對(duì)位置,粉色箭頭顯示的是運(yùn)動(dòng)的方向.
Miao等人比較了GTA-激光復(fù)合增材制造技術(shù)沉積鋁合金部件后的顯微組織和機(jī)械性能,以及單獨(dú)使用GTA的部件進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果發(fā)現(xiàn)增加了激光之后會(huì)導(dǎo)致更加均勻的元素分布和細(xì)化的晶粒,其原因是加強(qiáng)的流體速度和在激光熱影響區(qū)的冷卻速率比較高.這就導(dǎo)致了顯微硬度的提高和強(qiáng)度的提高.Wu等人則研究了GTA-激光復(fù)合AM技術(shù)沉積 Al-Cu合金時(shí)的顯微組織和機(jī)械性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)晶粒比較細(xì)小, Cu元素的分布比單獨(dú)使用電弧時(shí)的每層要均勻的多.由此可以得出的結(jié)論是,大多數(shù)的出版的文獻(xiàn)關(guān)于電弧-激光復(fù)合AM制造主要集中在沉積材料的表面質(zhì)量或材料的標(biāo)準(zhǔn)上.然而,激光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(bào)道,這些方面的研究對(duì)提高沉積速率和沉積部件最終的形狀至關(guān)重要.
來自英國的克萊菲爾德大學(xué)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(fā)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(dǎo)的熱源對(duì)沉積過程和熔道形貌的影響,激光功率為7kW,電流為200 A c:(a) 絲材被PTA所熔化, (b) 絲材被激光所熔化. (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(yùn)動(dòng)的方向.
在本研究中,PTA-激光復(fù)合AM工藝用來沉積Ti-6V-4V鈦合金.優(yōu)化的工藝參數(shù),包括激光和PTA熱源的配置,絲材的送進(jìn)方向,送絲位置以及電?。す獾姆蛛x距離等,均進(jìn)行了研究.使用這一復(fù)合工藝的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)勝于單獨(dú)使用PTA和單獨(dú)使用激光,無論是從提高的效率和沉積效率上,均非常明顯.三個(gè)多層單道沉積薄壁墻進(jìn)行了沉積以評(píng)估其形狀精度和研究標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合沉積工藝所存在的缺陷.進(jìn)一步的提出一個(gè)新概念來使用電弧-激光復(fù)合AM工藝來克服所觀察到的局限性.這一多個(gè)能量源的辦法采用的是三個(gè)熱源來進(jìn)行復(fù)合沉積,分別是一個(gè)PTA和兩個(gè)分離開的激光熱源,其優(yōu)點(diǎn)得到了進(jìn)一步的提升.
圖5 多層單道薄壁墻在不同的條件下所得到的橫截面,均呈現(xiàn)出良好的表面精度:(a) 薄壁墻 1: 4m/min, (b) 薄壁墻2: 6m/min, 和 (c) 薄壁墻 3: 8m/min
研究的主要結(jié)論
1,對(duì)同一功率,在PTA工藝的時(shí)候要比僅僅使用激光的時(shí)候,絲材可以吸收的能量更多.PTA-激光復(fù)合AM技術(shù)同單獨(dú)使用PTA和單獨(dú)使用激光進(jìn)行沉積相比較,可以獲得更高的沉積效率.同激光熱源相比較,復(fù)合工藝的沉積效率比較高得益于PTA和激光的優(yōu)勢的綜合.同PTA相比較,高的沉積速率歸因于復(fù)合工藝所造成的拓展的能量分布和熔池尺寸的增加,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(yīng)形成造成的,而復(fù)合工藝的變化范圍可以顯著的由于激光的引入而得到拓展.這是因?yàn)榈偷幕‰娏骱陀纱嗽谕还β瘦敵龅臅r(shí)候,復(fù)合工藝只需要更低的電弧電壓和電弧壓力就可以實(shí)現(xiàn).
3,復(fù)合工藝的絲材的耐受度同絲材激光AM技術(shù)相比較得到了增加,這是因?yàn)镻TA熔化絲材的效率比較高的緣故.
4,PTA-激光優(yōu)化后的配置方案是PTA作為先導(dǎo)的熔絲,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的沉積工藝和與此同時(shí)得到良好的熔覆道形貌.
5,激光和絲材之間分離的距離是非常重要的.距離太短則會(huì)增加諸如形成等離子弧的損傷,而距離過長則會(huì)造成過窄和兩個(gè)熔池之間的一定程度的分離.
6,通過使用兩個(gè)熱源,復(fù)合工藝可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的控制沉積速率和熔覆道的形貌.采用復(fù)合AM工藝沉積的多層薄壁墻樣品可以實(shí)現(xiàn)在高沉積速率的條件下進(jìn)行近凈成形.其熔覆道的寬度可以在較大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié).
7,PTA-激光復(fù)合工藝在沉積效率上還存在一定的缺點(diǎn),導(dǎo)致需要較高的再重熔過程.這是因?yàn)橛写罅康哪芰糠植荚诔练e的中心線上.為了克服這一缺點(diǎn),一個(gè)新的概念提出來,使用多個(gè)能量熱源來解決,即引入兩個(gè)激光能量源位于PTA能量源的兩邊,且位置在PTA之后.采用這一辦法,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,
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