发展了一种丝材等离子体弧-激光复合增材制造技术；该复合增材制造工艺呈现出比单独使用等离子体和单独使用激光更明显的优势。获得了优化的复合工艺参数。提出一个多个能量源(两个激光+一个PTA)的概念来克服标准的复合工艺的限制。

成果摘要：

在本研究中，提出一个新颖的以线材为基础的等离子体弧（PTA）—激光的复合增材制造技术来沉积大体积的钛合金部件，沉积时具有高的沉积速率和几乎为近净成形。优化的工艺，包括热源的布局，送丝的位置以及弧—激光的分离距离等均给予了研究。采用复合增材制造工艺比单独使用PTA和单独使用激光增材制造的优势要明显的多。研究结果表明，同单独使用PTA相比较，复合工艺拓展了能量的分布和熔池的尺寸，使得丝材有更多的时间同热源进行相互作用，从而可以产生更高的沉积速率。同单独使用激光相比较，复合工艺具有更高的丝材熔化效率和丝材位置的精度更高。由于在两个热源处具有更多的能量分布，在复合工艺中形成匙孔的可能性就比单独使用PTA要低得多。复合工艺的最佳配置是PTA作为先行的热源结合前部的送丝一起工作。在这一配置中，PTA用来熔化原材料，激光用来控制熔池的尺寸，从而使得控制沉积速率和熔覆道的形状进行单独控制变得比较容易。一套多层薄壁墙部件进行了构建来验证复合工艺的可行性，显示了这一复合工艺进行制造工程部件的可行性。结果表明复合工艺获得的平板的熔道比较理想，波浪形比较低平，从而实现了近净成形的目的。但该复合工艺的一个缺点是会对底层进行重熔。为了克服这一缺点，一个多热源系统实现更加均匀的能量分布的方案提出来来解决这一问题。

图1: (a)PTA-激光复合增材制造工艺的示意图；(b) 该示意图的侧视图，采用红色的点线来显示，示于图（a）中.

成果简介：

能量直接沉积（DED）增材制造（AM）由于同传统的铸造，锻造相比较，具有交货时间短，材料浪费少以及设计自由，柔性加工等优点而在近年来得到了快速的发展。丝材DED增材制造技术同粉末AM技术相比较，具有沉积效率高和材料浪费少的优点，从而成为潜在的具有高沉积速率和近净成形的优点，从而在诸多领域得到了应用，如航空航天，能源电力等。取决于能量热源的不同，丝材DED AM技术主要有三大类，分别是电子束自由成形增材制造，丝材激光增材制造，丝材电弧增材制造。电子束丝材AM由于需要在真空室中进行操作，造成设备成本的投入相对比较大，低占空比和长的冷却时间，由此造成该技术的应用面相对比较窄。丝材激光DED技术是一种近净成形技术，可以单独控制激光功率和能量分布，从而使得该技术可以获得稳定的熔化和避免匙孔效应的形成。然而，由于大多数金属对激光的吸收率均比较低，要获得高的沉积速率往往需要的激光功率会比较高。这就导致能量的分布变化比较大。因此造成加工成本比较高和反射的能量不好控制的问题。在丝材电弧AM技术当中，使用等离子体弧焊工艺，同激光相比较，由于具有高的能量转换效率，具有较为理想的沉积速率（如以钛合金为例，可以达到1kg/h），使得利用该技术制备大体积的部件成为可能。在原理上，在PTA工艺中几乎不能再增加沉积效率了，但是，同丝材激光DED不同的是，几乎不可能同激光一样能量波动会比较大。因此，在当前需要高的沉积速率，如达到如同激光沉积的匙孔效应条件下的高速率，从而限制了其沉积速率的进一步增加。同丝材DED　AM技术和丝材激光DED增材技术相比较，可以发现每一个工艺都存在自身的优点和缺点。因此，丝材PTA－激光复合AM　DED工艺的研究，结合两者热源的优点和实现高的沉积速率，无缺点和近净成形的概念应运而生。

图２:　不同的配置和运动方向（使用粉色箭头表示）：(a)丝材首先使用PTA进行辐照， (b)丝材首先使用激光进行辐照 。

对于电弧－激光复合AM技术，在过去的几年里，只有很少的文献给予了报道，并且大多数都是基于气体保护焊（ gas metal arc (GMA)。这是因为GMA工艺在路径规划上同钨极电弧焊和PTA相比较，具有高的耐受性，这是因为该技术在使用的时候消耗电极（即丝材）和火焰是同轴的．此外，其沉积速率相对来说也比较高，在单丝的时候就可以达到 3kg/h．在使用串联工艺的时候，使用钢铁材料可以达到9.5kg/h．Nsstrm 等人曾经研究了冷金属转移（cold metal transfer (CMT)）弧－激光复合AM工艺来沉积钢，同仅仅使用CMT进行沉积,CMT伴随先导激光,CMT伴随尾随激光进行了对比.结果发现,CMT伴随尾随激光的配置提高了工艺稳定性和由此提高了表面的粗糙度和形状的稳定性. Pardal等人则研究了引入能量激光作为CMT为基础的丝材增材制造钛合金的第二热源．同CMT技术相比较,复合工艺可以起到稳定电弧,导致熔覆道的形状成形好和高的沉积效率.Zhang等人研究了GMA-激光复合AM制造铝合金时得到了类似的结果.他们发现同GMA工艺相比较，部件的表面质量在增加了激光进行复合之后得到了显著的提高，同时材料的利用效率还提高了15%．值得注意的是，上述的研究主要聚焦在GMA为基础的AM技术在增加激光后对表面成形质量的影响上.这是因为GMA工艺的消耗电极是不稳定的，从而导致表面粗糙度相对较差．此外，对于有些材料如钛合金的工作功效比较低，阴极点不在某一点固定，电子会在较大的区域发射，导致电弧漂移．此外，钛合金表面的表面张力比较大，导致液滴的离开比较困难，从而容易在GMA工艺中形成比较大的飞溅．因此,采用GMA工艺沉积钛合金的时候是比较困难的．然而，在电弧工艺中，非消耗电极的工艺如PTA和GTA，其电子的发射是从钨极（热离子发射）发射出来的，其电弧是稳定的，从而造成该工艺在沉积钛合金的时候是比较适合的．

图 ３ (a) MES在配备一个PTA和两个单独的激光的配置图， (b)三个能量源的相对位置，粉色箭头显示的是运动的方向．

Miao等人比较了GTA-激光复合增材制造技术沉积铝合金部件后的显微组织和机械性能,以及单独使用GTA的部件进行了对比.结果发现增加了激光之后会导致更加均匀的元素分布和细化的晶粒,其原因是加强的流体速度和在激光热影响区的冷却速率比较高.这就导致了显微硬度的提高和强度的提高.Wu等人则研究了GTA-激光复合AM技术沉积 Al-Cu合金时的显微组织和机械性能，结果发现晶粒比较细小， Cu元素的分布比单独使用电弧时的每层要均匀的多．由此可以得出的结论是，大多数的出版的文献关于电弧－激光复合AM制造主要集中在沉积材料的表面质量或材料的标准上．然而，激光能量和电弧如何影响原材料的熔化（效率和沉积速率）和熔池的控制（再熔化和熔覆道的形状）还未见报道，这些方面的研究对提高沉积速率和沉积部件最终的形状至关重要．

来自英国的克莱菲尔德大学的研究人员则为大家展示了这方面的研究成果，这一成果发表在近期出版的期刊《Journal of Materials Processing Technology》上．

图４:丝材的方向和先导的热源对沉积过程和熔道形貌的影响，激光功率为7kW，电流为200 A c：(a) 丝材被PTA所熔化， (b) 丝材被激光所熔化. (c) 和 (d)则显示的在条件 (a) 和 (b)是所得到的熔覆道的外形．其中粉色箭头表示的是运动的方向．

在本研究中，PTA-激光复合AM工艺用来沉积Ti-6V-4V钛合金.优化的工艺参数,包括激光和PTA热源的配置，丝材的送进方向，送丝位置以及电弧－激光的分离距离等，均进行了研究．使用这一复合工艺的优点远胜于单独使用PTA和单独使用激光,无论是从提高的效率和沉积效率上,均非常明显.三个多层单道沉积薄壁墙进行了沉积以评估其形状精度和研究标准的复合沉积工艺所存在的缺陷.进一步的提出一个新概念来使用电弧-激光复合AM工艺来克服所观察到的局限性.这一多个能量源的办法采用的是三个热源来进行复合沉积,分别是一个PTA和两个分离开的激光热源，其优点得到了进一步的提升．

图５　多层单道薄壁墙在不同的条件下所得到的横截面，均呈现出良好的表面精度：(a) 薄壁墙 1: 4m/min, (b) 薄壁墙2: 6m/min, 和 (c) 薄壁墙 3: 8m/min

研究的主要结论

1,对同一功率，在PTA工艺的时候要比仅仅使用激光的时候,丝材可以吸收的能量更多.PTA-激光复合AM技术同单独使用PTA和单独使用激光进行沉积相比较，可以获得更高的沉积效率．同激光热源相比较，复合工艺的沉积效率比较高得益于PTA和激光的优势的综合．同PTA相比较,高的沉积速率归因于复合工艺所造成的拓展的能量分布和熔池尺寸的增加,使得丝材的熔化效率更高.

2,在PTA 工艺中沉积速率受到限制是匙孔效应形成造成的,而复合工艺的变化范围可以显著的由于激光的引入而得到拓展.这是因为低的弧电流和由此在同一功率输出的时候,复合工艺只需要更低的电弧电压和电弧压力就可以实现.

3,复合工艺的丝材的耐受度同丝材激光AM技术相比较得到了增加,这是因为PTA熔化丝材的效率比较高的缘故.

4,PTA-激光优化后的配置方案是PTA作为先导的熔丝，从而实现稳定的沉积工艺和与此同时得到良好的熔覆道形貌．

5,激光和丝材之间分离的距离是非常重要的．距离太短则会增加诸如形成等离子弧的损伤，而距离过长则会造成过窄和两个熔池之间的一定程度的分离．

6,通过使用两个热源，复合工艺可以实现单独的控制沉积速率和熔覆道的形貌．采用复合AM工艺沉积的多层薄壁墙样品可以实现在高沉积速率的条件下进行近净成形．其熔覆道的宽度可以在较大的范围内调节．

7,PTA-激光复合工艺在沉积效率上还存在一定的缺点,导致需要较高的再重熔过程.这是因为有大量的能量分布在沉积的中心线上.为了克服这一缺点,一个新的概念提出来,使用多个能量热源来解决,即引入两个激光能量源位于PTA能量源的两边，且位置在PTA之后.采用这一办法,其再重熔的比例可以显著的得到改善.

文章来源：Wire based plasma arc and laser hybrid additive manufacture of Ti-6Al-4V,Journal of Materials Processing Technology,Available online 4 February 2021, 117080,