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导读

由于环境风对电弧燃烧和液滴转移的干扰，现场环境下铝合金的线材电弧增材制造（WAAM）受到了阻碍。为此，研究者引入了一种通过同步供给AlSi5线材和90Mg-5TiO2-5NaF（重量百分比）混合粉末来保护气渣接头的方法。研究发现，这种方法可以将薄壁稳定沉积的风阻从1.5 m/s提高到3.5 m/s。此外，添加的镁元素使晶粒尺寸细化了21 %，并促进了Mg2Si相的形成，从而通过固溶强化效应提高了材料的机械性能。在激光清洁的帮助下，当环境风速为3.5 m/s时，薄壁的孔隙率从54.9 %降低到了28 %。这些改进使得材料的极限拉伸强度和延伸率分别达到了166 MPa和3.7 %，分别达到了室内无风环境中WAAM的98.2 %和31 %。

主要图表

图1.激光辅助WPAAM实验装置示意图。

图2沉积薄壁机械性能试验示意图。

图3展示了在风力环境下单层及单次沉积珠粒的宏观形成过程：（a-c）在风速WS为0至3 m/s时的WAAM工艺；（d-h）在风速WS为3.5 m/s [31]时采用不同粉末配方的WPAAM工艺。

图4展示了沉积薄壁的典型形成特征，包括：(a)无风环境下的WAAM，(b)无风环境下的WPAAM，以及(c)在WS值为3.5 m/s的环境中形成的WPAAM。

图5激光清洗参数对沉积焊缝表面形成的渣层的清洗面积比例的影响，(a)激光功率，(b)激光重复频率。

图6.激光清洗辅助的WPAAM宏观形貌，(a)无激光清洗单层沉积，(b)有激光清洗单层沉积，（c-d）有激光清洗多层沉积。

图7.沉积薄壁的X射线无损检测结果，(a)无风环境下的WAAM，(b)无风环境下的WPAAM，(c)WS为3.5 m/s时的WPAAM。

图8激光清洗对WPAAM的影响机理，(a)无激光清洗，(b)有激光清洗，其中“LC”表示激光清洗

图9展示了沉积薄壁的局部宏观形态及微观结构特征，包括：(a)局部外观，(b)微观结构，(c)再熔化区，(d)热影响区（HAZ），(e)电弧区，以及（f-h）分别来自WAAM、WPAAM和WPAAM+LC工艺的电弧区内微观结构。

图10展示了沉积薄壁在无风环境下的重熔区（a-c）和(g) WAAM，以及在WS为3.5 m/s时的WPAAM+LC（d-f）和(h)的微观结构的SEM、EDS及XRD分析结果。

图11展示了EBSD的实验结果，其中(a)和(c)为无风环境下的WAAM测试，(b)和(d)则是在风速为3.5 m/s时的WPAAM+LC测试。

图12.（a-e）通过WPAAM+LC沉积的薄壁的TEM图像及其对应的Al、Mg和Si等主要元素的映射，(f)图12a中放大区域的TEM图像及SAED图案。

图13.沉积薄壁的机械性能，(a)显微硬度，(b)拉伸性能。

图14.拉伸断裂形态，(a)无风环境下的WAAM，(b)WS为3.5 m/s时的WPAAM，(c)WS为3.5 m/s时WPAAM经+激光清洗后的状态。

图15.沉积薄壁材料的拉伸断裂机制，(a)无风环境下的WAAM，(b)WS为3.5 m/s时的WPAAM。

图16.磨削工艺对WS为3.5 m/s的环境条件下WPAAMed大尺寸铝合金薄壁宏观形貌的影响，（a-c）磨削前，（d-e）磨削后。

主要结论

(1)WPAAM的风阻达到了3.5 m/s，成功突破了WAAM在风速≥1.5 m/s时无法成型的技术瓶颈。然而，由于添加的粉末导致渣层分布不均，引发了电弧传导区的跳跃，从而降低了成型精度。此外，孔隙率从0.2 %增加到了54.9 %，与室内WAAM相比，UTS和伸长率分别下降了6%和84 %。

(2)在风速为3.5 m/s的条件下，通过激光清洁去除渣层，WPAAM过程中的电弧稳定性得到了提升，这有助于获得更薄且更平整的壁面，并减少了飞溅。薄壁的极限抗拉强度（UTS）和延伸率分别提高到了166 MPa和3.7 %，达到了室内WAAM工艺的98.2 %和31 %。

(3)通过分析，WPAAM在风环境中获得的机械性能接近室内WAAM。首先，粉末的添加通过增加异质成核过程细化了晶粒。其次，添加的镁促进了Mg2Si的形成，这减少了变形失真能量和共晶Si周围的应力集中。因此，裂纹的萌生和扩展受到抑制，由孔隙引起的机械性能下降也得到了缓解。

主要信息

Laser cleaning assisted wire arc additive manufacturing of aluminum alloy thin-wall through synchronous wire-powder deposition

https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.111622