等离子沉积应用于增材制造Ti-6AI-4V的优势研究
时间:2022-10-12 10:22 来源:先进增材工艺 作者:admin 点击:次
| 增材制造下材料利用率及设计灵活度较高，这符合当代可持续发展要求，在众多工艺中具有显著优势。等离子丝沉积是一种将等离子焊接与送丝相结合的新型增材制造（ALM）技术。本文建立了Ti-6Al-4V工艺的工作包络线，并计算了回归模型的总壁宽、有效壁宽和层高。等离子丝沉积工艺能够产生宽度达17.4
mm的直壁，加工后最大有效壁宽为15.9 mm，比其它工艺所得要宽得多。此外，Ti-6Al-4V的平均沉积率为93%，最大沉积速率为1.8
kg/h。沉积过程中，β相粗柱状晶粒从基体生长，冷却后转变为α片层的Widmanstätten结构。在沉积中可发现带，其具有大小不一的重复网篮组织结构。通过微压痕硬度测试得到的平均强度为387
HV，比基体高出12%。这些初步数据表明，等离子丝沉积工艺可能适用于大型航空航天部件的增材制造。 1.简介 根据Baufeld et al.(2010)研究，增材制造是一种通过连续多层沉积特定材料来制造复杂、近净形状组件的技术。Akula 和 Karunakara(2006)介绍了增材制造的首次应用，称其能使塑料制品快速成型、缩短产品开发时间并延长产品寿命。此后，相关研究逐渐转向金属沉积，目标主要聚焦于那些加工难度较大或成本较高的金属材料，要求是尽量减少浪费。金属增材制造技术因热源和进料形式而异。Kruth et al.(2007)对选择性激光熔化进行了广泛研究，其中包括激光扫描粉床。为生产出牢固结合的复合材料，Wang et al.(2006)研究了Ti-6Al-4V直接激光制造，可同时提供吹粉和馈线。选择性激光熔化可以用电子束熔化替代：Murr et al.(2010)使用该工艺制造了Ti-6Al-4V 多孔泡沫增材层。为提高沉积率，已将电弧焊接技术运用于增材制造。Baufeld et al.(2010)采用GTAW焊接从高纯氩气中成功制造出Ti-6Al-4V管状元件。Sequeira和Williams(2010)通过CMT焊接和GMAW沉积舱外沉积Ti-6Al-4V。该工作还开发了一个流程模型，其可为给定单臂形状选择最合适几何参数。尽管存在一些将等离子焊接工艺与送粉相结合的研究(Xiong,2008; Zhang et al,2003)，但据作者所知，目前没有任何相关文章的发表。 在构建非垂直部件时，所有基于粉床的技术都需要支撑结构。虽然使用激光技术辅助可以得到更高的尺寸精度，但也存在一些问题。首先，使用激光技术沉积率较低，如 Zhang et al.（2003）所得，其值通常为 9-120 g/h。其次，在其扫描路径中，激光点可能会影响比激光焊道本身更大的区域，从而产生球化现象，Tolochko et al.(2004)对此进行了描述。最后，仅通过目前可用设备，很难使用粉床技术生产出大于300 mm×350 mm×300 mm的零件。 在制造大型构件方面，线材技术较之粉末技术优势更大：线材技术沉积率可高出十倍以上，并且在构建部件尺寸上不受限，前提是机械手足够大并且可以在焊接炬实施保护气焊。此外由于所有送入焊丝都进入熔池，此过程污染较少。而与此相对的是，许多粉末技术在回收过程中使用的粉末会造成污染。 虽然Sequeira Almeida和Williams(2010)之前的研究已经证明使用GMAW焊接可生产出1000 mm×200 mm×4 mm钛合金壁，但本文主题为研究并探讨等离子丝沉积特性。如Messler(1999)所述，非转移等离子弧焊是非消耗性钨电极(阴极)和铜阳极在焊枪内产生电弧的一种过程。惰性气体(通常是氩气)受力通过因阴阳极而形成的孔，从而收缩电弧。同其它沉积方式，如GTAW沉积相比，该工艺下能量密度更高，电弧稳定性更高且污染更少。Weman(2003)论述使用这种工艺焊接行进速度更快，质量也更好，因而将其运用到增材制造也可以产生同样的优势。此外，我们还将建立一个能够预测沉积状态主要几何特征的模型。 
图1 等离子沉积实验装置示意图
2. 研究方法 2.1实验装置 用于等离子沉积的设备如图1所示，包括：一个带有100mm长拖护罩的Liburdi Engineering PW-400C等离子体焊接炬；一台Liburdi Pulseweld LP4000-VC电源。等离子体和保护气体均采用纯氩气。焊炬间距为7mm (可确保不发生碰撞)，电极复位为5mm (采取焊炬厂家建议)。实验期间上述数据稳定不变。焊丝直径为1.2 mm，焊丝从焊池前端进料，如图1所示。线弧化学成分如表1所示。沉积操作阶段以及相应的等离子体气体、屏蔽气体保护气和尾流保护气流速见表2。 
表1
表2
2.2过程窗口确定初步实验 将等离子沉积运用于增材制造属创新之举，通过数量34一组的初步单层(板上珠)实验可以提前了解该工艺的大体情况并确定该工艺参数局限性。物理限制或参数组合不切实际会导致沉积无法实现。实验设置与2.1所述相同。当两个参数保持不变时，另一个在固定的步骤中变化，直到肉眼观察沉积层，发现不可行组合。 2.3过程模型开发试验 壁层14，长140mm。层沉积总是从同一端点开始。在每层开始沉积前，用不锈钢丝刷和丙酮清洗盘子，以消除表面污染。使用200 mm×100 mm×7 mm参数的Ti-6Al-4V进行等离子沉积可得到三面增材制造直墙，先将此部分冷却至100◦C，然后再沉积新层，以保持部件几何形状一致性。随后实验表明，基底温度会影响液滴表面张力，而液滴表面张力又会影响沉积的几何形状。 在确定工艺约束因素后，MontGOMery(2005)选择D-最优设计方法进行了实验。最优设计由计算机生成，尤其适用于实验区域不规则、模型不标准(即，实验者事先知道某些交互作用不重要)和有一定样本大小要求(即，为缩减大小必须进行多次运行)的情。Montgomery指出如果一个设计”使回归系数向量上的联合置信区域的体积最小化“，那它就是D-最优设计方法。在实验中，实验人员输入约束方程，并指定与不必要的模型项和样本大小有关的任何条件。然后，软件运行一个算法，并返回具有最高D-最优的实验集。 经过初步实验和因素缩减，选取送丝速度(WFS) [X1]、行进速度(TS) [X2]和电流(I) [X3]作为模型因素。WFS是金属丝进入熔池的速度[mm/s](图1)；TS是机械手(也就是焊接炬)沿Y轴的运动速度[mm/s]；I [A]影响热输入。 模型中使用的三个反应为总壁宽、有效壁宽和层高，这些将在下一节中进行描述。由于三次行为是预期的，因而使用三阶多项式方程进行匹配。 
在此方程中，Y是预测反应，β0是常数的过程影响，βi是Xi的线性效应,βi 是Xi 的二次效应，βiii 是Xi 的三次效应，βij是一阶的交互，βiij是二阶的交互，β123是三阶的交互。 本研究采用了Stat-Ease Design-Expert®7.1统计软件，其可以创建评估一般析因设计，部分析因设计，响应面及优化设计。该软件分析表明，计算全模型的回归系数需要进行28次试验。 2.4 测量 在距沉积起始点50 mm、80 mm和110 mm处测量沉积层高度。用平均值来确定下一层沉积的高度增量。在计算平均层高时，由于底板的热效应，排除了前四层(图2)。取横断面，放入树脂，打磨，抛光，氢氟酸蚀刻，以便拍摄宏、微观图像。沉积壁面具有不规则的表面光洁度，因此需要进行加工操作以实现平面侧面。将加工前后的宽度分别命名为总壁宽(TWW)和有效壁宽(EWW)，有效壁宽代表有效可用的宽度。如图2所示。面积A为EWW围成的横截面积；区域B和C是需要通过加工操作去除的材料的横截面区域。使用Adobe Photoshop® CS4测量宽度和面积。在Adobe Photoshop中，通过不同颜色突出显示不同区域(A、B或C)。在定义图像上比例后，用软件计算相应区域。 
图2，一般零件截面示意图。总壁宽考虑的是实验对象的整个宽度，而有效壁宽只测量加工掉不规则侧面后剩下的部分。区域A是有效壁宽的截面，区域B和C对应的是必须加工的截面。 表面波纹度计算公式为： 
3.结果及讨论 3.1 工作包络线 对Ti -6Al -4V沉积的初步研究表明，各参数的范围可以用以下公式表示： 20 ≤ wire feed speed ≤ 100（4） 2 ≤ travel speed ≤ 10 (5) 120 ≤ current ≤ 300（6） 160 ≤−5×wire feed speed+3×current(7) -520 ≤−8×wire feed speed+current（8） -200 ≤ wire feed speed–current（9） 0 ≤−wire feed speed+20×travel speed（10） 0 ≤ wire feed speed−5×travel speed（11） -58 ≤−wire feed speed+6×travel speed（12） 图3对这些进行了具象表示，认为它们可能与发生在工作包络线之外的缺陷有关。WFS和TS的低限值是由于需要较高的沉积速率，因此没有考虑较低的值。WFS（送丝速度）上限是由于硬件限制造成的。电流上限与WFS上限有关，300A是熔解WFS上限(100mm /s) 所需的电流。一方面，当热输入不足时，会发生不完全熔化(方程式(6) - (8)；图3中B3、B4图像)；另一方面，当热输入过大时，珠形均匀性会受到严重影响（方程式(9)；图3中B1、B2图像)。 高TS（行进速度）产生了一种程度更大的峰值（方程式(5)和(11)：图3中A1-A3图像）；高表面张力使液滴一接触冷基体就凝固；WFS（送丝速度）越高，峰越大。这就是上层试验装置（TS）受限的原因。  
图3，（a）WFS送丝速度-TS（行进速度）和(b) WFS（送丝速度）-I（电流）工作包络线。这些数字表示每条线条所收到的约束。(c)约束下的工作包络线三维图；这些点对应计算模型回归系数所需的28次试验。
3.2加工能力 典型沉积如图4所示，图5将其与其它工艺进行了比较。对于GMAW和GTAW工艺，只考虑采用舱外制造所得的比较数据，这些数据来自于Sequeira和Williams(2010)、Eze(2009)、milelwski et al.(1999)和Tolochko et al.(2004)的研究。注意，在基于激光的加工过程中，假定壁宽等于光斑大小。粉层激光沉积工艺的主要优点是特征尺寸小。最后还有一个有趣的现象，那就是等离子沉积可以优化GMAW-CMT工艺能力，后者生产所得壁度更薄且层数更高。因此，两种工艺相结合，可以满足任何几何需求。 使用等离子沉积可得最大沉积速率为1.8公斤/小时；然而，它受到规格为100 mm/s送丝机的限制。该过程表明在功率和WFS都增加的前提下，沉积率就有可能进一步增加。表面起伏范围为0.35 -1.51mm，平均值为0.70mm。平均沉积效率为93%，最大值为98%，最小值为85%。这些值远高于GMAW-CMT工艺产出，其平均值约为80%(Sequeria Almeida& Willliams,2010)。只考虑沉积时间的话，沉积14层所需时间范围为3分16秒到16分20 秒，取决于行进速度。前四层宽度约为总壁宽的77%，后4层有效壁宽的88%。在实践中，前四层需要不同的参数以产生更大的有效壁宽。对该内容，本研究不做探讨。 
图4，Ti-6AL-4V 等离子沉积所得产品
图5，等离子沉积与其它增层制造工艺在总壁宽、有效壁宽和层高方面对比图。高频钨极氩弧焊、直流钨极氩弧焊、选择性激光熔化和直接激光制造均没有有效的壁宽数据。
3.3. 宏观结构所有标本的横截面都显示出一个共同的宏观结构，经过沉积过程，先前的β柱状晶粒从底板（图7a）中生长出来。在增层制造背景下中，Baufeld et al.(2010)，描述了Ti-6Al-4V 如何在以立方β为中心的体中凝固，然后在1000℃以下冷却时部分转变为被六边形闭合填充α相，周围被β矩相包围。所得晶粒比基板中的要大得多，这是外延晶粒生长（发生在沉积过程中）的结果，即有利晶粒生长，不利晶体不生长。优选方向即热流方向。 此外，在微结构中还有一系列带，它们在壁底部凸起，并垂直于壁顶部。这一特性将在下一章节进行讨论。 (责任编辑：admin) |