西交大：新型熔滴+电弧增材制造铝合金研究取得新进展
近日，3D打印技术参考注意到西交大新闻网刊发了一篇题为《科技自立自强，西安交大金属增材制造科研团队在新型熔滴+电弧增材制造铝合金研究方面取得新进展》的文章，展示了该校魏正英教授团队的最新研究成果。
笔者查询了作者团队发表的论文原文，文章提到，铝合金因具比强度高、高导热、来源广、成本低等优点，成为汽车、航空航天、轨道交通等多领域应用最广泛的金属材料之一。随着增材制造技术的快速发展，多种类型的金属3D打印技术被用于铝合金成型研究和应用，其中以激光和电弧增材制造最为突出。
对比两种热源的3D打印技术，激光粉末床熔融技术在制造中小尺寸、高复杂、高精度零件方面具有显著优势，但由于材料本身所固有的高导热、高反射和易氧化等特点使其难以借助激光实现高效沉积。3D打印技术参考在《铝合金大尺寸构件3D打印一体化制造的需求、限制因素及进展》一文中进行过详细描述。
电弧增材制造相比激光在铝合金3D打印方面具有显著优势，尤其体现在大型构件制造方面。3D打印技术参考已经观察到众多的应用案例，如波音公司已经扩大了与澳大利亚金属3D打印公司AML3D的合作，借助电弧3D打印大型铝合金构件；前不久，西工大刊文指出林鑫教授团队铝合金电弧增材制造研究为我国航天提供了重要支持。总的来说，铝合金电弧增材制造正在引起越来越多的关注。
然而，电弧增材制造也有很多问题需要解决。根据西交大新闻网和论文原文的描述，当前研究普遍认为电弧本身不够稳定：沉积层磁场、气流和表面形貌都对电弧形态有显著影响。同时，丝弧之间的强耦合使材料添加和热输入匹配非常严格。电弧稳定性和材料传递模式是电弧增材制造的核心任务，打破传统电弧增材制造中丝弧之间的强耦合是解决上述问题的根本途径。
西安交大魏正英教授金属增材制造科研团队研究比较了电弧增材GMA-AM（气体金属电弧增材制造）、激光-GMA混合制造、旁路耦合WAAM、气体钨丝电弧（GTA）增材等技术，提出一种新型熔滴+电弧增材制造方法（DAAM），实现了铝合金部件的高质量和高效率制造。
熔滴+电弧增材制造实验平台
在DAAM系统中，团队设计了一种特殊的熔滴发生系统来取代传统的送丝系统，使材料添加过程和弧热输入过程成为两个独立的部分。该研究采用变极性气体钨弧（VP-GTA）作为热源，选用2219铝合金作为沉积材料，首先分析了熔滴生成过程和熔滴+电弧沉积特性。然后提出一种热输入策略，实现具有良好形貌的薄壁构件的制备。在此基础上，研究了微观结构分布和晶粒形貌。最后，研究了不同工艺条件下的拉伸性能和断裂特性。
电弧增材制造2219铝合金薄壁件
DAAM薄壁样品典型晶粒形成示意图
相关研究成果以《一种新型的铝合金熔滴+电弧增材制造方法》（A novel droplet + arc additive manufacturing for aluminum alloy: Method, microstructure and mechanical properties）为题发表在增材制造顶刊Additive Manufacturing上。文章第一作者为西安交通大学机械工程学院硕博连读博士生贺鹏飞，作为新工艺平台的设计与研制及工艺负责人对新工艺研制成功做出了突出的贡献。
近年来，西安交通大学魏正英教授金属增材制造团队先后研究了多物理场耦合的金属增材过程的传热传质增材成形机理，对光/粉末耦合机制、熔滴与超常熔池冶金动力学行为进行研究，分析金属增材制造中熔化特性及凝固宏观形貌和微观组织特征；分析了多重热循环中应力变形机制，对金属增材形—性的一体化进行调控机制研究；研究了金属增材制造精度控制、性能预测和可视化测量反馈控制技术，利用自主研制的SLM平台进行了航天的金属选区融化技术研究。
针对轻质铝合金激光增材高效成形的难点，团队成功研制了颗粒增强铝基复合材料熔滴/电弧高效增材制造技术与设备，并建立了熔滴复合电弧3D打印成形系统和动态监视反馈的主动控制软硬件系统，实现了耐磨陶瓷颗粒增强铝基复合材料构件的熔滴/电弧高效增材制造。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221486042200745X
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