- 文献综述
金属增材制造（Metal additive manufacturing）是以三维模型数据为基础，用某种热源将金属材料熔化后再逐点逐线逐面地堆积材料，从而制造三维零件的数字化制造技术。其常用的热源有激光束、电子束、电弧或等离子弧等，材料可以为粉末、丝材和块材。[1] 激光和电子束热源在金属增材制造工艺研究中起源较早，现已经积累了一些研究经验，同时也暴露出一些自身的不足。而电弧熔丝增材制造技术（Wire and ARC additive manufacturing，WAAM），使用电弧或离子弧为热源，采用“送丝”的方式一层一层的沉积金属，具有柔性高、生产成本低、生产效率高和制件性能好的优点。[2] 冷金属过渡焊接（Cold metal transfer，CMT）便是电弧增材制造的一种，如今已经有许多学者将关于钛合金CMT电弧增材制造的工艺技术应用于航天领域大型构件上。
现阶段材料发展到瓶颈，单一材料性能提升潜力较小，强度和韧性的矛盾难以解决，因此采用多种材料复合成为了新的突破点。比如天然贝壳，其主要是碳酸钙和有机质组成，通过“砖-泥-墙”的结构设计，实现了抗压性能的极大提高，[3]因此对硬质材料中加入软质材料，并进行一定的结构设计能够突破材料强度和韧性的制衡的限制，在略微降低强度或不降低强度的情况下极大提高材料的韧性。在金属领域中，高氮钢和高强钢是被大量使用到建筑、汽车行业的材料，同时也在机械和军工产业中被广泛利用。高氮钢是以廉价的氮元素取代昂贵的镍而诞生的一种新型材料，氮作为一种间隙元素，可以帮助提高钢的强韧性、疲劳寿命和抗磨损腐蚀等性能。[4]高强钢具有优良的力学性能和物理化学性能，被广泛的用于汽车工业当中。这两种异种金属的结合可以应用与力学性能或其他功能过渡性的变化场合之中[5]，所以备受中外学者的关注。但是传统的制造方法难以实现两种材料的结合，直到金属增材制造的应用。增材制造是采用粉基、丝基进行增材，能够实现逐层逐道进行沉积，能够实现局部成分不均匀。因此采用增材制造能够实现异质异构材料的打印。电弧熔丝增材制造相较于其他增材制造方法具有生产效率高，生产成分低的优势。CMT增材制造热输入较小，能够极大降低增材构件中的应力集中，从而极大的提高材料的性能。因此本课题选用了CMT进行异种材料的复杂构件的增材制造。
电弧熔丝金属增材制造技术工艺随着新材料、新工艺、新设备的发展在不断地拓展与深入。20世纪60年代末德国Thyseen公司采用埋弧自动焊的成型方式制成全焊缝金属零件：大型压力容器，直径5.8米，长10.5米。[6]由于机器人技术、计算机技术以及焊接技术的结合，电弧熔丝技术的精密度也大大地提升，2013年，F.Wang为庞巴迪公司生产的Ti6A14V飞机起落架合金支撑外肋， 被欧洲宇航局称为突破性的金属3D打印技术。[7] 如今在CMT增材制造成型技术经过国内外大量实验，已经在宏观特征、微观组织和力学性能上拥有了一定的研究经验。在其宏观特征方面，克兰菲尔德大学 Martina 等[8]通过研究工艺参数对多层单道壁厚和层高的影响规律，建立了焊接速度、送丝速度、焊接电流等工艺参数与几何尺寸精度之间的关系式。 在微观结构方面，Zhang 等人[9]研究了变极性冷金属过渡 VP-CMT工艺制造的 Al-6Mg 合金零件，通过观察显微形貌特征发现，VP-CMT 工艺还可以有效地将在其他电弧增材制造工件中出现的柱状晶粒转变为等轴晶，从而达到细化晶粒的效果。Xu 等[10]发现马氏体钢电弧增材过程中，内部组织主要为垂直于电弧沉积方向生长的柱状晶组织，金属间化合物沿着沉积方向不均匀分布。同时，沈阳工业大学的刘勇等人[11]增材制造成型件沿高度方向微观组织为奥氏体柱状晶，其组织分为三个区域，底部区域奥氏体基体上含有少量柱状的残余铁素体；中部稳定成型区域，铁素体较少，呈现柱状枝晶和二次枝晶；由于散热条件改变，顶部区域出现等轴晶。成型直壁件中沿焊接方向的组织为等轴晶。随着工艺参数的变化，微观组织形貌和枝晶间距会发生变化，实际上是由于热输入不同引起的组织变化。在力学性能方面，哈尔滨工业大学Bai 等[12]研究了 WAAM 成形 2219 铝合金的力学行为，他们发现层间密集分布的气孔及较严重的共晶偏析是导致各向异性的原因。北京航空航天大学齐铂金课题组提出采用复合超高频脉冲方波的电弧，沉积态气孔减少，力学性能相比常规 TIG 电弧有一定提高[13]
CMT冷金属过渡的熔化极气体保护焊技术也在钛合金和铝合金领域也得到了广泛的研究和应用。南昌航空大学陈伟以及陈玉华教授[14]研究了CMT电弧增材制造TC4钛合金宏微观组织的演变规律，发现通过控制热输入量，消除连续外延生长的beta;柱状晶粒，获得非等轴晶不规则大小的beta;晶粒可以优化TC4钛合金的力学性能并减小各向异性。北京工业大学的赵昀[15]应用了KUKA机器人搭建的铝合金CMT增材制造系统研究了各个系列铝合金的分层特征以及抗拉强度。Xuewei Fang[16]等人建立了ER2319铝合金CMT-PDVA增材制造的三维瞬态有限元模型，发现沉积期间的最低温度可以更好的指示沉积质量同时提出了一种新的沉积顺序用于大型构件。
同时专家学者对于高氮钢以及高强钢异种材料的结合在焊接领域已有了一些研究，哈尔冰工业大学的刘增[17]采用了含氮药芯焊丝分析出马氏体奥氏体在两种母材结合过程中的对性能的影响。而对于双丝交织的增材制造方面，南京理工大学郭一飞[18]研究了机器人CMT增材制造高氮钢-316L多层结构，得出电流电压会影响成形层的拉伸强度同时利用软硬材料交织、层间角度交错的形式双面增材，完成30°层间交错双金属多层交织结构。
- 现有问题
目前，大多数的CMT电弧增材制造研究主要是关于钛合金和铝合金在航天航空领域的应用，而鲜少有学者关注于高氮钢和高强钢在增材制造工艺上的结合。事实上，在大型的军工机械设备上，需要这样异质异构的增材工艺来减小大型模具带来的成本以及提升其生产的效率。
同时高氮钢与高强钢两种金属在结合的过程中，还存在着一下一些问题：
- 产品的强韧性以及抗腐蚀性等其他性能与高氮钢和高强钢两者的比例是否呈加权关系
- 在双丝交织的CMT电弧增材制造中，不同的送丝速度以及行走速度会对组织及性能产生什么样的影响
- 高氮钢和高强钢两种材料过渡的区域金相显微组织结构以及力学性能如何，是否会存在界面和缺陷而导致产品性能不均匀。
- 增材之后应该采用何种热处理工艺才能使产品的性能最优化
以上这些问题都是本课题需要进一步研究的方向。
- 本课题拟采用的研究手段
首先需要通过CMT增材制造机器制备出高氮钢和高强钢双丝交织结构的几种样品，在制作样品的过程中需要使用不同的母材配比来判断双丝交织增材后的试样的性能与两种材料的比例是否存在一定关系，如强度，韧度等。同时在实验过程中需要使用不同的送丝速度和行走速度，观察其组织性能，以找到最为适合的送丝及行走速度。其次需要通过显微硬度测试以及拉伸硬度测试来研究各个样品的材料性能结合使用EDS、SEM、XRD等显微表征手段对材料的微观界面进行分离，观察两种金属材料在双丝交织的条件下的微观过渡界面组织以及可能存在的缺陷，同时也宏观地分析了各个试验状态下试样的力学性能。通过深入研究增材过程中两种材料的微观组织结构，并分析其微观组织和宏观性能的对应关系，最后总结高氮钢和高强钢双丝交织CMT增材制造工艺可以达到的较好组织性能的条件，以及该工艺存在的优势与不足，可能使用的领域。
- 参考文献
[1]曹嘉明. 电弧熔丝增材制造高强钢零件工艺基础研究[D].华中科技大学,2017.
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