Введение

В данной статье рассмотрены основные способы производства изделий с использованием технологии электродуговой наплавки проволокой (Wire Arc Additive Manufacturing ‒ WAAM), а также опыт применения различных способов данного метода, приведены исследования российских и зарубежных специалистов, основные проблемы данного метода и пути их решения.

  В настоящее время применение аддитивных технологий является одним из наиболее актуальных трендов в мировой инженерной индустрии. Благодаря использованию цифровой модели и послойному нанесению материала такие технологии позволяют изготавливать изделия сложной геометрической формы с меньшей трудоемкостью, чем при традиционных способах. Примеры таких изделий, выполненных методом WAAM, приведены на рис. 1. В сравнении с литьем и обработкой давлением способы аддитивного производства обладают более высоким коэффициентом использования материала. Изделия, изготовленные с использованием аддитивных технологий, находят применение во многих отраслях промышленности ‒ аэрокосмической, автомобильной, медицинской и других [1–6].

Рис. 1. Изделия, полученные методом электродуговой наплавки (WAAM)

Процессы прямого подвода энергии и материала различаются в зависимости от типа сырья (металлопорошковая композиция, проволока), источника энергии (лазерный луч, электронный луч, электрическая дуга, плазма), количества источников энергии и конструкции установки (роботизированная или портальная конструкция). На рис. 2 представлена портальная установка для осуществления электродуговой наплавки [7].

Рис. 2. Портальная установка для осуществления электродуговой наплавки (WAAM)

Исходный материал подается непосредственно в ванну расплава, образованную источником тепловой энергии, в результате чего происходит послойное плавление материала в среде защитного газа либо в вакууме [8].

Технология WAAM  предполагает наплавление исходного материала в виде проволоки с использованием энергии электрической дуги.

Для производства крупногабаритных металлических заготовок средней сложности технология WAAM является наиболее рентабельной. Однако основными недостатками этого процесса являются низкая точность и качество поверхности, поэтому требуются последующая обработка на станках с числовым программным управлением [9, 10].

Материалы, методы и основные результаты

Разновидности способов технологии WAAM

В зависимости от технологии сварки, лежащей в основе процесса WAAM, существуют три его разновидности: дуговая сварка плавящимся электродом (Gas Metal Arc Welding ‒ GMAW) [11, 12], дуговая сварка неплавящимся электродом (Gas Tungsten Arc Welding ‒ GTAW) [13, 14] и плазменно-дуговая сварка (Plasma Arc Welding ‒ PAW) [15].

В процессе GMAW электрическая дуга возникает между плавящимся электродом (присадочной проволокой) и заготовкой. Режим передачи металла имеет важное значение в процессе WAAM на основе способа GMAW, поскольку оказывает прямое влияние на качество поверхности, микроструктуру и механические свойства материала. На рис. 3 и 4 показаны соответственно присадочная проволока и рабочая камера портальной установки, используемой для осуществления данного процесса.

Рис. 3. Присадочная проволока для электродуговой наплавки (WAAM)

Рис. 4. Рабочая камера портальной установки для осуществления электродуговой наплавки (WAAM)

Процесс GMAW‒WAAM с использованием холодного переноса металла (Cold Metal Transfer ‒ CMT) доказал свою эффективность в контролируемом режиме передачи металла и обеспечивает хороший контроль геометрических размеров и микроструктуры изделий. В процессе GMAW электрод защищен инертным газом [16, 17].

Исследование в работе [18] показало, что в ряде случаев процесс WAAM на основе способа GMAW обладает более высокими характеристиками (скоростью наплавки, коэффициентом использования материала, производительностью и экологической безопасностью) по сравнению с аддитивными технологиями на основе электронно-лучевой наплавки (EBAM), лазерной наплавки (LMD), наплавки с использованием вольфрамового электрода (GTAW) и плазменно-дуговой наплавки (PAW).

Во время процесса GTAW электрическая дуга горит между неплавящимся вольфрамовым электродом и заготовкой. Присадочная проволока подается в расплавленную ванну, созданную электрической дугой, через отдельный механизм подачи проволоки, что приводит к ее плавлению и осаждению на заготовке [19]. Скорость осаждения в процессе на основе GTAW самая низкая по сравнению с процессами WAAM на основе GMAW и PAW.

В процессе PAW дуга зажигается между вольфрамовым электродом и водоохлаждаемым соплом. Инертный газ (в основном аргон) ионизируется под воздействием электрической дуги и создает плазменную струю. Эта плазменная струя фокусируется на пластину заготовки через узкое отверстие сопла, что приводит к созданию расплавленной ванны над заготовкой. Исходная проволока подается в эту ванну, плавится и осаждается на поверхности заготовки [20]. Производительность наплавки в процессе PAW выше, чем при способе GTAW, но ниже, чем при способе GMAW.

Плазменно-дуговая наплавка (PAW) обладает наивысшей энергетической плотностью, что обеспечивает более высокую скорость перемещения электрода и меньшую деформацию сварных швов [21]. Однако, несмотря на высокое качество наплавки, процесс PAW является наиболее затратным среди процессов WAAM.

Рассмотрим основные этапы процесса WAAM. Основные критерии выбора процесса включают параметры моделирования в CAD-среде, создание траектории инструмента в процессе сварки, параметры сварочного процесса, выбор защитного газа и проволоки.

Параметры CAD-моделирования. Моделирование в CAD, 2D-разбивка 3D-модели CAD и формирование траектории инструмента являются неотъемлемыми этапами в любом процессе автоматизированного сварочного производства. В формате файла «.stl» 3D-модель легко нарезается на слои с помощью соответствующего программного обеспечения [22]. В современных установках автоматизированного сварочного производства применяется метод однонаправленной нарезки из-за его простоты. Однако этот метод имеет ограниченное применение для сложных конструкций, требующих большого количества опорных конструкций из-за сложной геометрической формы и нависающих элементов. Для минимизации использования опорных конструкций для сложных геометрических форм и нависающих элементов в последнее время в установках автоматизированного сварочного производства начали применять метод многонаправленной нарезки (MDS). При использовании этого метода нарезка выполняется таким образом, что манипулятор с несколькими координатными осями может осуществлять нанесение материала на базовую поверхность в любой ориентации, это позволяет осуществлять наплавку на нижнюю сторону выступа [16, 22]. Однако метод MDS требует использования многонаправленных наплавочных сопел, а его алгоритмы сложны, что требует полной настройки конфигурации робота [23].

Генерация траектории инструмента. Генерация траектории инструмента имеет решающее значение в процессе WAAM, поскольку она определяет движение наплавочного сопла для заполнения нарезанных 2D-слоев, представляющих поперечные сечения заготовки. Шаг смещения важен при создании траектории движения инструмента. Растровые и контурные шаблоны наиболее часто используются для методов сканирования в процессе WAAM. В растровом шаблоне смещение выполняется параллельно заданному направлению, в то время как для контурного изображения смещение происходит параллельно границе структуры. Остальные шаблоны пути представляют собой либо вариации, либо комбинации этих стратегий сканирования [24].

Наплавка методами GMAW, GTAW и PAW. Выбор метода наплавки определяется областью применения и простотой внедрения процесса. На выбор технологии наплавки влияют также требования к свойствам конечного изделия [25]. Так, способ GMAW применяется в случаях, когда приоритет отдается высокой производительности наплавки, а качество поверхности и стабильность процесса менее важны. Способ GMAW относительно проще внедрить, чем способы GTAW и PAW, поскольку он не требует отдельной подачи присадочной проволоки. Технология PAW обеспечивает высококачественные сварные швы точной формы и размера с минимальным искажением из-за высокой плотности энергии электрической дуги [26]. Деформация в результате процесса PAW минимальна. Несмотря на более высокую скорость наплавки, способ GMAW предпочтительнее для процесса WAAM, так как проволока подается соосно со сварочной горелкой, что упрощает выбор траектории инструмента. Тем не менее геометрически согласованная наплавка достижима для всех направлений движения, если угол подачи проволоки составляет 60 градусов [26].

Параметры наплавки (ток, напряжение, скорость подачи проволоки, скорость наплавки). Сварочные параметры, такие как ток, напряжение, скорость подачи проволоки и скорость наплавки, оказывают прямое влияние на сварной шов и качество наплавленной структуры. Они влияют на тепловой вклад в процессе наплавки [18]. Перенасыщение теплом во время наплавки приводит к переплавлению уже нанесенных слоев, что отрицательно сказывается на макроструктуре и геометрической форме валика. Снижение теплового вклада позволяет получить равномерную поверхность наплавки без излишнего наполнения или растекания сварочной ванны [19]. Кроме того, уменьшение теплового вклада уменьшает общую пористость наплавленной структуры за счет снижения температуры капель и уменьшения растворимости газа в расплаве [20]. Исследования макроструктуры при различных уровнях теплового вклада показали, что увеличение теплового вклада связано со снижением отношения скорости подачи проволоки к скорости перемещения инструмента [21]. В случае применения технологии WAAM важно уменьшить тепловой вклад и увеличить скорость наплавки, при этом скорость подачи проволоки должна быть пропорциональна тепловому вкладу.

Тепловой вклад в технологии WAAM оказывает значительное влияние на размер сварочной ванны. При сниженном тепловом вкладе соотношение ширины к высоте ванны уменьшается, поскольку ванна расплава не успевает расплываться до застывания. При повышенном тепловом вкладе вязкость металла уменьшается, а ванна расплава расширяется. Геометрические размеры между двумя последовательными слоями можно контролировать путем согласования охлаждения с тепловым вкладом [22].

Ток дуги существенно влияет на формирование наплавленной структуры и регулирует скорость плавления проволоки, глубину проплавления и геометрическую форму шва. Напряжение дуги также оказывает влияние на высоту и ширину структуры: при увеличении напряжения дуги увеличивается ширина и уменьшается высота [23, 24].

Выбор защитного газа. Для предотвращения образования дефектов и воздействия расплавленного металла на окружающую среду необходимо обеспечить достаточное количество защитного газа. Избыточный расход защитного газа может привести к плохому качеству сварного шва. При высокой скорости потока защитного газа, захваченные воздушные газы (кислород O₂, азот N₂, водяной пар H₂O) из-за турбулентности могут привести к образованию пор в наплавленной заготовке. Обычно защитный газ подается через сварочную горелку. Для наплавки материалов, склонных к окислению, таких как титан (Ti) и мартенситно-стареющие стали, используют заполненные газом защитные купола [25, 26]. Локальное устройство защиты, обеспечивающее ламинарный поток защитного газа, разработано для процесса WAAM из титанового сплава состава Ti–6Al–4V (Ti64), что более эффективно по сравнению с обычной системой защиты [26]. Состав защитного газа также является важным фактором при планировании процесса WAAM для предотвращения «блуждания» тока электрической дуги в материалах с высокой реактивностью, таких как алюминиевые и титановые сплавы. Использование защитного газа с добавкой O₂ обладает несколькими преимуществами, такими как увеличение скорости перемещения инструмента, более эффективное плавление ванны расплава и снижение поверхностного натяжения расплавленного металла [26]. Исследования [19, 20] влияния состава защитного газа на процесс наплавки алюминиевых сплавов показали, что защитная смесь аргона с добавлением 0,02 % O₂ снижает «блуждание» тока электрической дуги. В работе [21] по наплавке сплава системы Ti‒Al‒V с предварительно измельченными зернами использовали защитный газ, содержащий смесь аргона и гелия, что способствовало увеличению скорости охлаждения поверхности ванны расплава.

Выбор проволоки. Выбор диаметра проволоки и количества используемых проволок оказывает влияние на скорость наплавки, теплопередачу и общее качество сварного шва.

В исследовании [22] изучали микроструктуру и механические свойства сплава системы Al–Cu–Sn, наплавленного с использованием двойной проволоки. Результаты исследований показали, что прочность наплавленного металла увеличивается, а пористость снижается при использовании двух проволок, в отличие от использования одной проволоки.

Применение нескольких подающих проволок упрощает процесс выращивания биметаллических и интерметаллидных сплавов. Например, в работе [23] для изготовления интерметаллидного сплава TiAl успешно применили процесс WAAM на основе способа PAW с двойной проволокой. Кроме того, в исследовании [24] методом GTAW‒WAAM с использованием двойной проволоки получен интерметаллидный сплав системы Fe‒Al.

Качество поверхности проволоки также имеет существенное значение для уровня пористости конечного изделия. Применение проволоки высокого качества без поверхностных трещин и царапин приводило к снижению пористости в сварных соединениях в проведенном исследовании в работе [25].

Важными параметрами при выборе питающей проволоки в технологии WAAM являются также состав проволоки и наличие модификаторов. Различные исследования [26] демонстрируют положительное влияние модификаторов на структуру наплавленных материалов.

Материалы, применяемые в аддитивной технологии

Титановые сплавы. Детали из титановых сплавов пользуются большим спросом в авиастроении благодаря высокому уровню механических свойств при небольшой плотности. Из-за плохой обрабатываемости и высокой стоимости титановых сплавов возникла потребность в эффективных технологиях, альтернативных традиционным методам производства. При изготовлении деталей сложной конфигурации из сложнолегированных титановых сплавов аддитивные технологии имеют значительное преимущество – обеспечивают более высокий коэффициент использования материала (по сравнению с традиционными технологиями), что позволяет существенно снизить стоимость конечных деталей и сборочных единиц [22]. В статьях [23, 24] рассматривается процесс наплавки WAAM на основе сплава состава Ti–6Al–4V с использованием способа GTAW. Образцы с наплавкой WAAM показали хорошие механические свойства с пределом текучести σ_0,2 = 884±27 МПа, пределом прочности при растяжении σ_в = 995±29 МПа и относительным удлинением δ = 18,6 %, что оказалось сопоставимым со свойствами деформируемого материала, у которого σ_0,2 = 880‒920 МПа, σ_в = 900‒950 МПа, δ = 5‒18 %.

Сплавы на основе никеля. Никелевые сплавы обладают высокими эксплуатационными характеристиками, прочностью и ударной вязкостью при высоких температурах и устойчивы к агрессивным средам. Они применяются в авиационных двигателях, камерах сгорания и турбинах. Аддитивно изготовленные никелевые сплавы находят применение в аэрокосмической, авиационной и нефтяной промышленности [25]. В настоящее время два жаропрочных сплава на основе никеля (Inconel 718 и Inconel 625) активно изучают для процессов, основанных на технологии WAAM. Микроструктура сплава Inconel 718, изготовленного методом WAAM, обычно состоит из крупных столбчатых зерен с выделениями неправильной островной формы, известных как фазы Лавеса, и некоторых карбидов сферической/квадратной формы.

В работе [26] проводили исследование технологии WAAM сплава Inconel 718 в состоянии термической обработки и сравнили его коррозионную стойкость с аналогичной характеристикой деформированного сплава той же марки. Изучение материала показало, что этот сплав после наплавки WAAM и термической обработки обладает более низкой коррозионной стойкостью (по сравнению с деформированным сплавом той же марки) из-за образования пористого пассивного слоя, содержащего большее количество оксида NiO и меньшее количество оксида Cr₂O₃, на поверхности сплава Inconel 718 после наплавки WAAM и термической обработки. В исследовании [17] показано, что у наплавленного методом WAAM на основе процесса CMT термически обработанного сплава Inconel 718 более стабильное поведение и удовлетворительные характеристики по сравнению со сплавом, полученным методом лазерной аддитивной печати.

В работе [18] рассмотрено применение процессов WAAM для изготовления образцов из сплава Inconel 625. Выявлено, что механические свойства полученного сплава существенно зависят от скорости перемещения горелки из-за образования выделений. Нижние слои образцов представлены в основном мелкозернистой структурой, в то время как со временем структура меняется на столбчатую дендритную с вторичными ответвлениями. Верхние слои имеют равноосную микроструктуру. После термической обработки сплава Inconel 625, изготовленного методом WAAM при температуре 1100 °C, произошло растворение фаз Лавеса, а также исчезновение классической дендритной микроструктуры [19].

Опыт НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в области разработки технологии WAAM для создания заготовок из сплава ЭП718 показал высокий уровень механических свойств синтезированного сплава после горячего изостатического прессования  и термической обработки: σ_в = 1190 МПа, σ_0,2 = 1030 МПа, δ₅ = 18,5 %, предел кратковременной прочности при температуре 700 °C составлял 910 МПа, длительная прочность при нагрузке 400 МПа при той же температуре ‒ более 100 ч.

Алюминиевые сплавы. После проведения нескольких исследований процесса изготовления алюминиевых сплавов по технологии WAAM сделан вывод, что этот процесс подходит в основном для производства крупногабаритных алюминиевых конструкций сложной геометрической формы. Различные марки алюминиевых сплавов, включая сплавы систем Al–Cu (2xxx), Al–Si (4xxx) и Al–Mg (5xxx), изучены для производства с использованием технологии WAAM. Некоторые марки, такие как серий 6ххх и 7ххх, имеют ограничения по сварке из-за несозревающей ванны расплава во время наплавки [20, 21]. Среди различных методов WAAM процесс CMT на основе способа GMAW признан наиболее подходящим для изготовления алюминиевых сплавов благодаря своему эффективному энергосбережению.

В работе [22] продемонстрированы результаты успешной наплавки бездефектной тонкостенной детали из сплава марки ER4043 с применением технологии WAAM на основе процесса CMT. При использовании оптимизированных параметров процесса получена бездефектная и полностью плотная деталь. Средняя прочность при растяжении изготовленных образцов составила 125 МПа в продольном и 112 МПа в поперечном направлениях, что сопоставимо с прочностью холоднотянутых образцов.

Стали. В настоящее время технологии WAAM уделяется внимание в ряде исследований по производству нержавеющей стали, благодаря ее способности обеспечить высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость металлу. По этой технологии можно производить прочные и бездефектные заготовки деталей с отличными механическими свойствами и микроструктурой. Например, в работе [23] использована технология WAAM на основе способа GMAW для наплавки нержавеющей стали марки 308L с хорошими механическими свойствами. Анизотропия в деталях может успешно устраняться с помощью подходящих процессов термической обработки, изменения вариантов процесса или использования модели ортотропного материала, что продемонстрировано в работе [24].

С помощью технологии WAAM производят комбинированную микроструктуру, состоящую из крупных столбчатых аустенитных зерен и мелких ферритных зерен скелетной, реечной и зернистой формы [25]. Коррозионная стойкость обработанной методом WAAM супердуплексной нержавеющей стали марки ER2594 (SDSS) превосходит стойкость деформируемого сплава [26].

Другие сплавы. Исследования в области изготовления заготовок из магниевых сплавов с использованием аддитивного производства с проволочной электрической дугой все еще недостаточны, и большая часть работ в области технологии WAAM выполняется на сплавах марок AZ31 и AZ91 [17]. Изготовленный методом WAAM образец из сплава AZ91 в основном состоял из равноосных зерен разного размера, с общим размером зерен, равным 13,9 и 33,2 мкм выше и ниже линии сплавления соответственно, что значительно меньше размера зерен в литом материале (44,4 мкм) [25].

Образцы, изготовленные с помощью технологии WAAM по методике Янга, не имели выявленных дефектов, обладали лучшими механическими свойствами (предел текучести 131 МПа, предел прочности при растяжении 210 МПа и относительное удлинение 10,55 %), чем традиционные литейные сплавы, и были сравнимы по свойствам с деформируемыми сплавами.

Проблемы при применении технологии WAAM

Остаточные напряжения и деформации. Значительные остаточные напряжения могут привести к деформации конструкции и быстрому разрушению изделия, а также потере геометрического допуска и снижению сопротивления усталости. Минимизация и контроль деформации, вызванной остаточными напряжениями, является важной областью исследований.

Размер подложки, используемой в технологии WAAM, и установленная система фиксации значительно влияют на продольные остаточные напряжения в структуре [21]. В работе [22] показано, что характер наплавки и длина трека оказывают влияние на остаточные напряжения. Исследования показали, что короткие треки способствуют уменьшению остаточных напряжений, в то время как спиральные пути приводят к наибольшим значениям остаточных напряжений и деформации.

Пористость. Пористость, вызванная технологическим процессом или сырьем, является дефектом, который необходимо уменьшить для предотвращения отрицательного влияния на механические свойства компонентов, изготовленных по технологии WAAM. Она возникает из-за захвата газообразного водорода в расплавленной ванне во время наплавки. Эту пористость можно в некоторой степени контролировать за счет использования подходящего состава защитного газа и методов нанесения. Наличие поверхностных загрязнений в сырье, таких как влага и жир, также является причиной образования пористости в наплавленной структуре. Кроме того, наличие пористости зависит от количества поданного тепла.

Исследования, представленные в работе [23], показывают, что в импульсном методе MIG меньшая погонная энергия приводит к более высокому уровню пористости, в то время как более высокая погонная энергия приводит к относительно меньшей пористости. Однако противоположные результаты получены в компонентах, изготовленных по технологии WAAM на основе процесса CMT.

В работе [24] получены аналогичные результаты для процессов CMT, CMT + Pulse и CMT + Advanced, где наивысший уровень подводимого тепла в процессе CMT + Pulse привел к наибольшему образованию пор. Образование крупных столбчатых зерен также способствует предотвращению выхода пор из ванны расплава. Кроме подачи тепла, режим трансфера металла также оказывает значительное влияние на пористость конструкций, изготовленных с использованием технологии WAAM. В статье [25] демонстрируется, что при производстве сплава марки 5356Al применение импульсного режима переменного тока существенно снижает пористость, которая достигает уровня 0,13 % благодаря его переменной полярности. Полученные результаты почти в 6 раз меньше, чем при холодном трансфере металла, и в ~10 раз меньше, чем при режиме Pulsed-GMAW.

Трещины, расслоения. Растрескивание при затвердевании в основном происходит из-за избыточной сегрегации растворенных веществ, которая создает препятствия при затвердевании ванны расплава [26]. Присутствие таких дефектов отрицательно сказывается на механических свойствах изготовленной конструкции. В исследовании [17] рассмотрено влияние трещин на вязкость разрушения сплава Inconel 718, произведенного методом WAAM. Показано, что ударная вязкость сплава, изготовленного по технологии WAAM, на образцах с надрезом, параллельным трещиноподобному дефекту, почти в 2 раза меньше, чем у кованого сплава Inconel 718, но сопоставима с ним при перпендикулярном расположении надреза и трещиноподобного дефекта.

Анизотропия свойств. В процессе WAAM затвердевание способствует формированию микроструктуры с крупными столбчатыми зернами вместо мелкой равномерной микроструктуры. Это обусловлено более высоким температурным градиентом и меньшей скоростью роста на границе раздела «твердое тело/жидкость», что способствует формированию столбчатой морфологии зерен [26]. Наиболее заметным недостатком крупной столбчатой микроструктуры является наличие анизотропии механических свойств материала. В исследовании [26] изучалась анизотропия в высокопрочных стальных заготовках, изготовленных на основе процесса CMT по технологии WAAM. Сделан вывод о более низких свойствах при разрушении в продольном направлении по сравнению с поперечным.

Методы улучшения качества производимой конструкции

Термическая и газостатическая обработка. Термическая обработка после изготовления имеет важное значение в технологии WAAM для повышения прочности материала, снижения остаточных напряжений и контроля твердости изготовленной конструкции. В работе [20] отмечается, что механическая прочность алюминиевого сплава марки AA2196, полученного методом WAAM на основе способа GTAW, увеличилась на 59 % после соответствующей последующей термической обработки и горячей деформации. Повышение свойств при растяжении связано с измельчением зерен и механизмом закрытия микропор, поскольку постобработка эффективно уменьшила пористость и устранила места зарождения трещин.

В других исследованиях, проведенных после последующей термической обработки компонентов, изготовленных с использованием технологии WAAM, сообщается об увеличении прочности на 4; 5; 78 и 17 % для титановых сплавов [21], жаропрочных сплавов на основе никеля [22, 23], алюминиевых сплавов [24] и интерметаллидных сплавов Ti/Al [25] соответственно.

Послойное (межпроходное) охлаждение. Сложный термический профиль заготовок, изготовленных методом WAAM, который включает повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения, может привести к формированию сложных микроструктур и ухудшению механических свойств.

Для достижения улучшенной микроструктуры и повышенных механических свойств разработаны методы межпроходного охлаждения, включающие принудительное охлаждение с использованием сжатого газа CO₂. Быстрое охлаждение достигается благодаря использованию подвижного сопла для подачи газа, поэтому температура слоя, а также термический цикл могут быть изменены в желаемой области для получения требуемой микроструктуры и механических свойств.

Исследования, представленные в работе [26], по изготовлению сплава состава Ti–6Al–4V с использованием принудительного межпроходного охлаждения сжатым CO₂ показали многообещающие результаты. Оказалось, что этот процесс способствует улучшению микроструктуры, снижению окисления, увеличению твердости и укреплению материала. В работе [17] предложен метод активного охлаждения с использованием сухого сжатого воздуха при изготовлении сплава марки SS308L по технологии WAAM и получены положительные результаты, такие как самая низкая шероховатость поверхности, увеличение средней твердости и бо́льшая прочность при растяжении по сравнению с деталями, изготовленными без использования активного охлаждения.

Послойная холодная прокатка. Применение такой прокатки для наплавленных структур позволяет существенно снизить микроструктурную анизотропию за счет механизма пластической деформации материала. Исследования показали, что послойная холодная прокатка наплавленных валиков также успешно снижает остаточные напряжения и деформацию [18].

В статье [19] представлена интегрированная система метода WAAM для холодной прокатки, в которой гидравлически нагруженный щелевой ролик перемещался по наплавленной металлической структуре с постоянной скоростью, аналогично сварочной горелке в процессе GMAW. Этот метод оказался эффективным для уменьшения деформации и повышения качества поверхности наплавленной структуры, минимизируя необходимость в дополнительной механической обработке конечного изделия. Подогрев прокатанного слоя и последующее нанесение слоя способствовали полезному измельчению зерен материала.

Исследования в статье [20] подтвердили положительное влияние послойной холодной прокатки при производстве сплавов состава Ti–6Al–4V методом WAAM. Удалось достичь улучшения характеристик, таких как предел прочности при растяжении (876 МПа), предел текучести (789 МПа) и относительное удлинение (11 %), что превзошло показатели для образцов, полученных методом WAAM, в исходном состоянии. Увеличение прочности и пластичности связано с устранением пустот и повышением плотности дислокаций за счет послойной прокатки.

Аналогичные результаты получены в работе [21] при изготовлении сплава Inconel 718 методом WAAM. В настоящее время этот метод используется только для изготовления простых деталей с тонкими стенками из-за геометрических ограничений процессов прокатки в рабочей камере установки. Внедрение послойной прокатки при изготовлении готовых к использованию компонентов методом WAAM остается недоступным из-за этих ограничений.

Заключения

Технология WAAM привлекает внимание отечественных промышленных специалистов и исследователей из-за своей низкой стоимости, высоких производительности и коэффициента использования материала при изготовлении крупногабаритных деталей средней сложности.

Качество изготовления и свойства материала, полученного методом WAAM, существенно зависят от реализации выбранного метода и планирования обработки, поэтому пристальное внимание уделяется этапам и стратегии обработки параметров и инструментов. Для решения проблем возникновения анизотропной и столбчатой микроструктур в процессе WAAM необходим выбор подходящего сырья, правильное управление скоростью охлаждения с дополнительным межпроходным охлаждением и деформациями, что имеет решающее значение и дает многообещающие результаты. Поскольку микроструктура оказывает огромное влияние на механические свойства изготовленных материалов, необходимо провести более целенаправленные исследования в этой области для их внедрения в производство продуктов конечного использования.

В настоящее время имеется множество направлений для исследований в области технологии WAAM: разработка новых сплавов, таких как сплавы с высокой энтропией и магнитные сплавы; производство биметаллических сплавов и их обработка. Отмечается, что очень мало исследований проводится для отслеживания правильности геометрической формы изделий и образования дефектов во время изготовления методом WAAM. Автоматическая проверка дефектных заготовок после изготовления приводит к более высоким потерям материала и связанным с этим затратам. Поэтому подчеркивается потребность в замкнутой системе управления для обнаружения дефектов в реальном времени, что сократит общее время постобработки и сделает технологию WAAM более надежным и эффективным методом.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.