引言

钛合金拥有比强度高、、、密度低、、、耐侵蚀、、、耐热机能好以及生物相容性优异等利益，，被宽泛利用于航空航天、、、新能源及生物医疗领域[1-2]。。。但是，，钛合金拥有铸造温度区间窄、、、变形抗力大、、、高温组织机能对出产环境敏感等工艺特点，，使用传统工艺出产加工钛合金构件时，，出产工艺复杂、、、出产效能低、、、资料利用率低、、、加工成本高[3-4]。。。近年来，，增材制作技术的发展为钛合金构件的出产制作提供了全新的思路[5]，，该技术无需配套零件模具，，通过逐层堆垛的方式制作实体零件[6]，，能够有效削减工序，，降低出产成本，，拥有辽阔发展远景[7-9]。。。相比于传统的加工方式，，增材制作在成型道理、、、原料状态以及制件机能等方面产生了底子性转变，，被以为是制作业的一次革命性突破。。。金属资料的增材制作凭据热源的拔取分歧能够分为电弧增材制作（Wire Arc Additive Manufacture, WAAM）、、、激光增材制作（Laser Additive Manufacturing, LAM）以及电子束增材制作（Electron Beam Additive Manufacture, EBAM）等技术[10]。。。其中电弧增材制作技术以电弧作为热源，，选取逐层堆焊的方式制作实体零件，，因其加工成本低，，沉积效能高档利益[11]被宽泛地利用于钛、、、铝等金属资料的增材制作。。。WAAM 步骤及概念的提出能够追忆到 1925 年，，Baker[12]使用单一的电弧焊接沉积出了金属的花托和装璜性收纳篮。。。在钛合金电弧增材制作中，，由于逐层堆垛过程中会经历屡次热循环，，凝固过程金属过冷度高、、、温度变动大，，高温 β 相会转变为分歧状态的 α 相，，蕴含马氏体 α'、、、马氏体 α''、、、针状 α、、、晶界 α 和网篮状组织等。。。这些不均匀的微观组织及脆性相容易形成裂纹，，影响整个构件的力学机能[13,14]。。。为改善电弧增材制作钛合金的微观组织及提高其力学机能，，国内外学者通过优化加工工艺与冶金等方式对钛合金增材组织进行调控。。。Malinov 等[15]发现通过分歧的热处置，，钛合金中 α、、、α'、、、α''和 β 相的比例会有所分歧；何智等[16]钻研了超声冲击对电弧增材制作钛合金零件组织和机能的影响，，发现超声冲击可能使晶粒破碎为藐小的等轴晶，，并且随着冲击次数的增多，，试样的抗拉强度有所提高；Mereddy 等[17]通过在电弧增材制作钛合金时增长硅元素发现，，随着硅增长量的增多，，晶粒尺寸逐步减小。。。

当前，，钛合金的电弧增材制作步骤及微观组织调控已经逐步成为钻研热点，，学者们萦绕着新型步骤、、、增材制作后处置以及增材过程实时调控等方面进行了大量钻研。。。然而系统性的综述报道还很少，，短缺对当前钻研工作的总结与瞻望。。。本文针对钛合金电弧增材制作工艺步骤及微观组织调控，，首先介绍了分歧的 WAAM 系统，，并对分歧钛合金电弧增材制作步骤进行了介绍与对比分析，，提出了钛合金电弧增材制作所面对的重要问题和难点，，在此基础上重点综述了当前用于调控资料组织及机能的几种辅助工艺，，最后对钛合金电弧增材制作的将来发展做了瞻望。。。将为钛合金电弧增材制作技术提供基础钻研思路，，为高效高质量钛合金增材制作件的开发与利用提供技术参考，，对推动该技术的进一步应器拥有重要意思。。。

1、、、 钛合金电弧-丝材增材制作工艺步骤

WAAM 系统由热源、、、自动送丝系统、、、数控工作台或机械人系统组成。。。当前 WAAW 重要基于传统焊接电弧进行优化刷新，，依照热源及送丝方式的分歧，，WAAM 重要分为三种工艺步骤：：以钨极气体；ず福℅as Tungsten Arc Welding, GTAW）为热源的旁轴送丝增材制作技术、、、以等离子弧焊（Plasma Arc Welding, PAW）为热源的旁轴送丝增材制作技术和以溶解极气体；ず福℅as Metal Arc Welding, GMAW）为热源的同轴送丝增材制作技术，，其个性如表 1 所示。。。

1.1 基于 GTAW 的 WAAM 工艺

基于 GTAW 的电弧增材制作技术利用钨电极和基板之间产生的电弧来溶解焊丝，，依照设定的蹊径逐层沉积实体零件，，如图 1 所示[19]。。。在沉积过程中，，送丝方向影响资料传输和沉积质量。。？？？裳∪『笏退、、、侧送丝、、、前送丝等分歧方式，，钛及钛合金的增材制作通常选取前送料。。。随着电弧长度的增长，，屏蔽喷嘴与工件之间的距离也相应增长。。。Baufeld 等[20-22]在 GTAW热源制备的电弧增材制作 TC4 钛合金中，，发现其组织为粗壮的外延成长 β 柱状晶，，并且当焊接方向产生扭转后 β 柱状晶的指向也随之产生扭转，，如图 2 所示。。。堆垛件的顶部和底部的组织也有所分歧，，顶部冷却速度较快，，组织为较为藐小的 α 集束，，底部在屡次的热循环作用下，，组织为粗壮的网状 α 结构。。。Wang 等[23,24]也发现了类似的 β 柱状晶组织，，并且还钻研了送丝速度对焊后组织转变的影响。。。当送丝速度增长到肯定水平时，，柱状 β 晶粒最终将转变为等轴晶。。。Wang 和 Baufeld 等对电弧增材制作的钛合金的力学机能也有所钻研，，发现钛合金构件在沉积方向及焊接方向上的力学机能存在各向异性。。。原因是初生的β 相贯通整个试样外延成长，，从而造成各方向上组织与机能均存在差距。。。钛合金增材制作件显微组织的不均匀性与其力学机能的各向异性有所关联，，所以能够通过优化成型工艺参数来获得组织均匀的钛合金构件，，弱化各向异性，，提升综合力学机能。。。

1.2 基于 PAW 的 WAAM 工艺

PAW 增材制作技术使用等离子弧作为热源进行增材制作，，等离子弧拥有高电离度、、、高能量密度、、、高流速等特点，，通过热压缩和机械压缩等作用，，等离子焊接中的电弧能量密度能够达到 GTAW 的 3 倍，，且拥有电弧不变、、、沉积速度快、、、成型质量高档利益，，如图 3 所示是一种基于 PAW 的 WAAM 系统[25]。。。Martina 等[26]利用 PAW 增材制作步骤制备了 TC4 钛合金构件，，并钻研了分歧工艺参数对钛合金成型特点及组织特点的影响。。。通过改善工艺获得了粗壮 β 柱状晶粒，，并成立工艺参数与堆垛件总壁宽、、、有效壁宽和层高之间的回归模型。。。Lin 等[27]钻研了等离子弧增材制作 TC4 钛合金的组织演化与力学特点。。。钻研发现，，随沉积层数的增长，，通过逐步削减电流以降低热输入，，可能减小 β 晶粒尺寸，，然而 α 相在 β 晶粒内散布不均匀，，存在针状马氏体和魏氏体的混合组织，，并且 α 片层的宽度与沉积高度有肯定联系。。。

1.3 基于 GMAW 的 WAAM 工艺

GMAW 电弧增材制作技术是一种以溶解极气体；ず肝仍，，将丝材均匀送入熔池溶解并急剧凝固成型的增材制作步骤。。。20 世纪 90 年代，，Spencer 等[28]提出了选取 GMAW 技术进行增材制作的步骤来急剧成型金属模具。。。但使用此步骤较大的热输入会导致资料存在较大的残存应力，，且焊接过程中飞溅、、、烟尘较大。。。目前 GMAW 常选取冷金属过渡（Cold Metal Transfer,CMT）步骤，，这是一种由 Fronius 公司开发的脉冲短路焊接技术，，CMT 通过耦合焊接参数和焊丝移动确保受控熔滴转移，，选取此种工艺，，能在较低的热输入下实现熔滴接触过渡，，削减飞溅。。。Gou 等[29]通过钻研 CMT 电弧增材制作制备 TC4 构件过程中热输入对增材构件组织与机能的影响情况，，发现一部门 α′马氏体组织由于逐层沉积的热循环过程而转变为 α+β 层状的混合物，，且 α 晶粒中出现了大量的位错。。。张飞奇等[30]以 TC4 钛合金丝材为原料，，选取 CMT 电弧增材制作，，得到堆积层底部为柱状晶、、、顶部为等轴晶的组织结构，，在堆积区与熔合区均没有马氏体相的出现。。。值妥贴心的是，，在使用 GMAW 进行钛合金的增材制作时，，会出现电弧漂移，，并且获得的理论也很粗糙，，所以对于钛合金的电弧增材制作，，还是以 GTAW 和 PAW 两种工艺步骤为主。。。

综上所述，，对于钛合金电弧-丝材增材制作技术，，GTAW、、、PAW 和 GMAW 三种工艺步骤各有特点：：GTAW 工艺设备单一，，成本较低；PAW 电弧能量密度高，，能够获得变形较小且成型优良的构件；在 GMAW 中，，焊枪和焊丝同轴，，简化了蹊径天生过程，，其沉积速度是 GTAW 和 PAW 步骤的 2~3 倍，，但不变性较差。。。CMT 电弧增材制作步骤可能精确节制热输入且实现较高的堆积效能，，将成为将来制备钛合金复杂大型构件一种有效的步骤。。。WAAM 工艺还要与资料个性相匹配，，零件的精度要求及结构复杂情况将决定 WAAM 工艺的选择。。。对于钛合金来讲，，GMAW 会导致电弧漂移，，影响构件的成型质量，，GTAW和 PAW 更合用于钛合金，，但由于其选取外部送丝的方式，，增材构件的成型质量重要取决于堆垛过程中的送丝与电弧的不变性[32]，，通过对送丝的节制，，实现陆续的搭桥熔滴过渡方式[33]，， 会获得成型优良的优质零件。。。

2 、、、电弧增材制作钛合金微观组织调控

如前所述，，WAAM 拥有成本低、、、出产效能高的利益。。。然而，，WAAM 制作过程中涉及到电弧热源下的液态金属的非平衡凝固[34]，，前一道金属在逐层堆垛过程中，，经历屡次热循环，，这种怪异的热个性将影响增材构件的微观组织、、、机械机能和残存应力散布[35]，，这些问题严重限度了钛合金增材制作构件的使用寿命和利用领域。。。因而，，必要对增材制作的钛合金进行组织调控以提升其机能，，当前重要有两种调控方式：：一种是在增材制作实现后对增材件进行后处置；另一种是在增材过程中的实时调控。。。

2.1 钛合金增材件的后热处置

大无数 WAAM 制作的钛合金增材件在垂直（构建）方向上的强度和伸长率均低于沉积方向，，这是由于柱状 β 晶粒通过为沉积方向上的张力提供显著的危险累积蹊径，，来节制断裂行为[36]。。。当沉积层中存在某些脆性相，，如魏氏体相或针状 α 相时，，延展性较弱。。。较大的柱状 β 晶有助于优良的延展性，，但可能导致强度降低[37]。。。通过使用适当的热处置工艺，，能够有效地节制和调整金属合金所需的微观结构和机械机能，，降低焊后残存应力，，提高资料合金组织、、、机能的均匀性，，提高构件的塑性与委顿寿命[38]。。。Wauthle 等[39]发现对 TC4 成型件进行去应力热处置可有效推进 α'马氏体转变为平衡相 α 片晶。。。Gou 等钻研发现 900℃和 1200℃热处置后，，马氏体 α'相全数转变为 α+β 相，，且显著提升组织的硬度和延长率。。。Brandl 等[40]选取高温固溶+淬火+退火热处置钛合金堆垛件，，发现 TC4 堆垛件组织中柱状 β 晶大量转变为球状，，显著削减了资料的各向异性。。。多阶段后热处置工艺将出产出强度和延展性切合要求的产品，，但其弊端是不经济且耗时，，因而，，通常选取单阶段后热处置来提高塑性、、、加强强度、、、解除脆性相和细化晶粒（重要针对柱状晶）。。。

2.2 层间冷却

图 5 为层间冷却的 WAAM 系统的示意图。。？？？梢贫迮缱煊涤刑峁╇财、、、氮气或 CO2气体的职能，，用于在每个沉积层上提供自动的强制冷却，，该工艺能够节制钛合金层间热循环温度在肯定领域内，，以获得所需的微观结构和机械机能，，有助于提高钛合金的硬度和机械强度[41]。。。Ding 等[42]钻研批注，，当使用压缩气体进行层间强制冷却来制作 TC4 薄壁结构时，，发现层间冷却削减了理论氧化，，细化了显微组织，，提高了硬度和强度。。。此外，，由于沉积层之间的停顿功夫缩短，，制作效能显著提高。。。

2.3 喷丸和超声波冲击处置

喷丸和超声波冲击处置已宽泛利用于工业产品中，，这两种技术都是使用高能介质冲击资料理论，，通过在资料理论施加压缩应力，，使零件中产生弹性变形和塑性变形，，从而细化表层晶粒，，使取向随机化，，进而提高零件的机械强度[43]。。。经过超声波冲击处置后，，WAAM 制备的 TC4 零件的理论残存应力可降低至 58%，，显微硬度可提高 28%。。。此外，，理论改性层经过塑性变形，，晶粒显著细化，，位错密集。。。Yang 等[44]将 GTAW 焊枪与超声波冲击处置头相连来制作 TC4 构件，，沉积过程实现后，，立即在沉积件理论施加两次超声波冲击。。。原有 β 晶粒的宏观结构由粗化的柱状晶转变为等轴晶和短柱状晶的交替散布。。。Gou 等[45]选取 GMAW 进行 TC4 钛合金增材制作时增长超声波喷丸处置，，在每个电弧熄灭后从部件的三个方向进行超声波喷丸，，沉积的 TC4 部件中柱状 β 晶和次生 α 晶粒显著细化。。。超声波冲击处置技术受到穿透深度的限度，，穿透深度约为理论下 60μm。。。因而，，只管这两种技术都是优良的后机械处置，，但它们只能改善理论层的资料机能，，且作用领域有限。。。

2.4 增长元素冶金原位调控

热处置及机械处置步骤固然在优化微观组织、、、提高力学机能以及缓解残存应力等方面起着关键作用，，但过程较为繁琐，，提高了制作成本与制作周期。。。近年来，，除了在工艺步骤上调整外，，增长元素冶金调控步骤成为前沿的增材制作调控步骤。。。在增材制作过程中引入元素，，其一能够通过扭转熔覆资料或者使用送粉器送入肯定量粉末来增长，，其二能够通过扭转；て煞值姆绞揭朐。。。Bermingham 等[46]在 TC4 钛合金焊丝理论涂抹了两种分歧配比的 B 元素熔覆层，，发现 B 元素能够有效解除钛合金 α 晶界和团束组织，，藐小 α 等轴晶也会有所增长，，降低各向异性，，原始柱状 β 晶粒也变得越发狭小，，微量元素 B的增长使其压缩塑性提升约 40%。。。此外，，增长微量的 Nb、、、Si、、、La₂O₃等也可显著细化晶粒[47-49]。。。第二种扭转；て煞值牟街，，能够利用；た掌肴鄢夭苯鹱饔，，实现组织的原位强化。。；平】档妊∪ GTAW 或 PAW 作为热源，，在氩气；て逯谢烊肟隙ū壤牡丛惶焐 TiN 加强相[50,51]。。。钻研了局发现，，在氮气比例较低时组织中形成了 TiN 树枝晶，，当不休增长氮气比例后树枝状的 TiN 逐步转变为颗粒状。。。氮原子作用的示意如图 6 所示，，氮气分子在高温下电离成原子态，，在熔池理论吸附并扩散至内部，，最后与 Ti 原子结合天生 TiN 相。。。对堆垛的钛合金资料进行力学机能测试，，发现氮气流量的增长能 够显著提升资料的抗压强度。。。此外，，还钻研了在；て谢烊 CO₂气体时的作用，，发此刻组织中天生了大量的 TiOx 和 TiC相，，且其含量随着 CO2通入量增长而增长。。。由于 TiOx 相和 TiC 相的存在，，资料的显微硬度和耐蚀性也有所增长[52]。。。

3、、、 瞻望

近年来，，市场对钛合金增材制作产品的需要及质量要求越来越高，，火急必要提高钛合金增材制作水准。。。钛合金在逐层堆垛过程中，，经历屡次热循环，，整个过程是一个非平衡热过程，，并且在增材制作过程中，，资料往往存在复杂的物理化学冶金变动，，以上过程影响成分众多，，涉及资料、、、结构设计、、、工艺过程、、、后处置等诸多成分，，但当前重要的钻研工作仍重要集中在资料组织分析、、、机能法规描述阶段，，并未对冶金机理及理论进行深刻钻研，，这也使得增材制作过程的资料—工艺—组织—机能关系往往难以正确把握，，难以实现有效节制。。。因而，，将来应进一步钻研 WAAM 工艺中潜在的物理化学冶金机理，，从而为工艺优化以及组织节制提供领导。。。

另一方面，，若何对增材制作工艺中的残存应力-变形散布、、、成型精度和微观组织演变进行物理建模分析及预测依然是一个挑战，，通过数值仿照技术能够大大缩短试验周期，，有效验证试验中的有关根基理论，，当前对于微观组织演化的数值分析及有关的热力学-动力学推算的钻研较少，，已有的数值模型钻研重要集中于移动热源对熔池特点、、、温度散布及柱状晶组织的影响法规，，但是随着数值分析伎俩的不休美满和丰硕，，数值仿照将在电弧增材制作领域阐扬更大的作用。。。此外，，人为智能也将在 WAAW 加工过程得到更多的利用。。。例如：：基于深度学习的模式鉴别技术能够用来实现熔池分类、、、理论缺点检测等信号分析；强化学习可用于实现 WAAM 的机械人蹊径自主规划、、、参数优化和过程节制；大数据的概念将有助于实现数据共享和处置，，从而改进 WAAM 的 CAD 设计、、、工艺优化和质量节制。。。

4、、、 结论

钛合金电弧增材制作技术作为先进的钛合金加工制备技术，，拥有较大发展潜力。。。通过对国内外钛合金增材制作过程中的工艺步骤及微观组织调控的总结与对比分析可获得如下重要结论：：

(1) 对于钛合金电弧-丝材增材制作技术，，依照热源分类重要有 GTAW、、、PAW 和 GMAW 三种工艺步骤。。。对于钛合金来讲，，GMAW 会导致电弧漂移，，并且获得的理论也很粗糙。。。当前对于钛合金的电弧增材制作，，还是以 GTAW 和 PAW 两种工艺步骤为主。。。

(2) 钛合金的电弧增材制作，，其组织拥有肯定的不均匀性以及力学机能的各向异性。。？？Ｄ芄黄揪荼匾，，选择在增材制作过程中或增材制作后借助辅助工艺来优化钛合金组织及机能。。。在增材制作后处置中，，通过热处置来解除脆性相、、、细化晶
、、、降低各向异性；别的能够在增材制作过程中进行组织优化，，如使用层间冷却、、、喷丸和超声波冲击、、、增长合金元素等方式来改善钛合金组织，，其中，，增长合金元素通过冶金调控的方式能够原位天生加强相，，因其能够实时调控资料的成分及组织，，将成为将来钛合金增材制作的钻研热点。。。

(3) 对于电弧增材制作钛合金微观组织的调控，，已有肯定钻研成就，，但大多还处于试验钻研阶段，，对于深档次的成型机理的钻研还有所欠缺。。。所以在将来，，应进一步钻研 WAAM 工艺中存在的物理化学冶金机理，，并结合数值仿照技术对微观组织的演化进行预测，，以及借助人为智能技术实现电弧增材过程的智能化，，这将有助于推动 WAAM 在钻研和工业领域的发展。。。

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黄健康，，男，，1981 年生，，教授，，2005 年本科毕业于湘潭大学获学士学位，，2007 年毕业于兰州理工大学获硕士学位，，2010 年毕业于兰州理工大学获博士学位。。。重要从事电弧增材制作、、、异种金属衔接、、、焊接物理与焊接过程检测与节制等方面的钻研，，颁发论文 200 多篇。。。

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