电弧3D打印，又称电弧增材制造，增材制造（AdditiveManufacturing，AM）技术是基于离散、堆积原理，根据零件的三维模型采用材料逐层堆积成形三维实体[1]，集成了数字建模技术、机电控制技术、材料科学与化学等方面的前沿技术知识，该技术不需要经过成形、焊接、装配等工序，可一次性制造大型金属整体结构件。金属增材制造技术的热源有激光、电子束、等离子束和电弧等。用激光和电子束作为热源，其成形件具有尺寸精度较高、表面粗糙度低等优点，适合制造结构比较复杂的零件[2]。但是，粉末材料易受到污染（比如像钛粉末极易被氢、氧、碳和氮等污染），且微小气孔易在成形件内部产生，进而破坏成形件的力学性能[3]。与激光及电子束等高能束不同，电弧增材成形技术主要基于钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊等焊接技术发展而来，增材成形件具有致密度高、熔敷率高、原材料利用率高、成本低和受污染的可能性较小等优点[4-5]。
TC4（Ti-6Al-4V）钛合金为α+β型双相钛合金，综合性能优异，广泛应用于航空航天等领域[6]。由于钛合金存在成形加工难度高、加工成本大等缺点，而增材制造技术有望改变这一局面，故近年来，国内外众多学者对电弧增材制造展开广泛研究。目前增材制造中气体保护方法主要分为两种，即整体保护方式和局部保护方式。由于整体保护方式存在使用设备造价高、洗气时间长、效率低、使用场地受限等缺陷，本实验选用局部保护方式，采用冷金属过渡（ColdMetalTransfer，CMT）焊接技术作为热源，该工艺具有热输入量低、沉积效率高、无飞溅、成形件表面质量高等优点，是一种全新的MIG/MAG焊接工艺，成功打印出了多道多层TC4钛合金试样块体，并初步研究了所制备增材体的显微组织和力学性能。
1、实验材料与方法
1.1实验材料
实验使用的基板为锻造TC4钛合金板，尺寸为100mm×100mm×10mm，选用准1.2mm的ERTi-6Al-4V（TC4）丝材作为打印材料。基板与丝材的化学成分见表1、2。
1.2实验方法
电弧3D打印TC4钛合金所用成形系统由机器人系统（KR5R1400焊接机器人和KRC4控制柜），焊接电源（TPS4000CMT数字化焊接电源）与送丝系统（CMTVR7000）等组成。电弧增材前，将基材表面用角磨机打磨并用丙酮清洗，以去除基材表面氧化层，同时避免第一层和基板之间产生熔合不良与气孔等缺陷。实验开始前，首先摸索单道成形参数，选取熔高、熔宽以及铺展良好的打印参数，具体参数见表3。实验采用多道多层堆积的方式，增材路径为Z字形，共堆积40层，每层层间隔时间1min。采用局部保护装置，保护气体100%Ar，送气量25L/min。打印出TC4钛合金成形件后，用线切割从打印成形件中制备水平方向与增材高度方向的拉伸试样、冲击试样以及金相试样。金相试样经粗磨、精磨后抛光，使用Keller试剂腐蚀（HF、HNO3、H2O体积比为1∶2∶68），腐蚀时间3s；在SMZ1500体视显微镜上进行低倍组织观察，在OlymplusGX51光学显微镜上进行高倍显微组织观察；采用BrukerD8X射线衍射仪（XRD）进行试样组织结构分析；采用HVS-1000Z型数显微硬度计测量增材体的显微硬度，从基板处开始测量，每隔0.5mm测一次，直至试样顶部；按照GB/T228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》制备拉伸式样，采用长春机械科学研究院生产的DNS系列电子万能试验机进行室温拉伸性能测试，加载速率0.2mm/min；根据GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》制备标准的U形缺口冲击试样，试样尺寸为55mm×10mm×10mm，深度为2mm；采用FEIQuanta250F场发射环境扫描电镜（SEM）对拉伸试样断口、冲击试样断口等进行分析。
2、实验结果与分析
2.1宏观形貌
图1为采用CMT技术制造的TC4钛合金件的表面形貌。可看出，所制备的增材体成形较为规整，表面无明显气孔；在打印过程中由于热积聚量过大而导致基材存在局部轻微翘曲变形，无明显其他缺陷，表观形貌良好。
图2给出了增材体在体视显微镜下竖直方向截面与水平方向截面的宏观形貌。从图2（a）可观察到底部少量等轴晶以及贯穿多个打印层外延生长的粗大β柱状晶；图2（b）给出了β柱状晶在体视显微镜下的截面图，经测量，β柱状晶宽度约0.6～3mm，与TIG快速成型的TC4钛合金[7-9]、电子束增材制造的TC4钛合金[10]等相比，采用CMT工艺增材的TC4钛合金有着更小的晶粒尺寸。在增材过程中，增材初期基板的散热作用比较明显，打印层有着较大的冷却速率，晶粒形态以等轴晶为主。在打印过程中丝材在电弧与基体的相互作用下形成熔池，在熔池凝固时，熔池中绝大部分热量以热传导的方式通过基体沿垂直向下的方向散失，部分通过相邻焊道散失。
当增材层高度不断增高、热累积量逐渐积聚，热量主要向下传递到已经成形的增材体上，且温度梯度在增材高度方向的分量最大，即沿增材高度方向的热分量大于其它方向的，故晶粒向上呈柱状晶生长，并在生长过程中会淘汰掉与增材高度方向偏差较大的晶粒[11]。在多层打印中，打印形成新层时，电弧会重熔掉前一打印层甚至前两层的金属，即与新送入的焊丝一起被熔入熔池，凝固时晶粒又将逆着热流方向延续前一层的柱状晶晶粒取向继续向上生长，进而柱状晶得到了充分长大，最终形成贯穿多个打印层的β柱状晶。
2.2微观组织特征
2.2.1顶层微观组织
在增材成型件横截面顶层，可观察到α'相、αm相、少量网篮组织以及β相。据图3钛合金等温相变图[12]所示，当温度高于液相线温度时，α+β两相则会转变为液态β相；当温度下降时，则生成固态体心立方β相。
图4为试样顶层的SEM图。从图4（a）局部放大图（右上角）可看到针状α'相，α'相是β相转变成α相的过渡相。由于增材体表层冷却速率较大，且没有经历后续重熔以及热累积作用，保留了类铸态组织，即当冷却速率超过一定值时，β邛α相变会以无扩散的切变方式进行，此时合金元素来不及析出，形成α相的过饱和固溶体α'相[13]。如图4（b）所示，β晶界处存在块体αm相，αm相是由β相在冷却过程中发生固态转变形成的，其尺寸大小与冷却速度和成分偏析有关[14]，α稳定元素Al在晶界上的富集以及较慢的冷却速度（20～410℃/s），都会使αm相的尺寸增大。
2.2.2增材体微观组织
增材体的微观组织主要由网篮组织、片层组织、少量残余α'相以及β相组成。图5（a）、（b）分别为增材高度方向（纵向）与水平打印方向（横向）的显微组织图。从图5（a）可观察到外延生长的粗大β柱状晶，图5（b）为大量β柱状晶的横截面。从图5（c）～（f）可观察到粗大柱状晶内部为细小均匀的网篮状组织，经测量其片层宽度为1.2～3.0μm。由于CMT工艺的热输入量较低，熔滴冷却速度快，在打印过程中易以切变形式形成马氏体α'，对于已经凝固的某一点来说，在继续打印时会经历后续的局部重熔。即不断经历升温与降温的过程，当该点温度在相变点温度以上且冷却速度达到马氏体转变条件时，会生成马氏体α'；反之，在该点温度低于相变点温度或冷却速度较低时，针状马氏体便会转变成片状网篮组织。从图5（f）可观察到，有少量α集束沿β晶界的边界析出在增材过程中，熔滴过渡到熔池内，随着焊枪向前移动，熔池末端开始凝固；当熔滴冷却至β相变点以下时，初生α相优先在晶界形核且向晶内生长，沿晶界α相生长为相互平行的α片层，且较快的冷却速度使得晶内不同位向的α形核率较高，α集束尺寸较小，α片层变短且互相交错，形成网篮组织。
Safdar等[15]研究表明，在TC4钛合金的XRD中，大多数峰对应α相，β相在衍射角2θ=39.65°处对应（110）衍射峰.从图6增材体的XRD图可知，增材体主要由α相与β相组成，且增材体竖直方向与水平方向物相基本一致，无明显差别。电弧3D打印TC4钛合金增材体，横纵截面的β晶粒内显微组织相近，均为互相交错的α片层和片间β相组成的网篮组织。
2.3力学性能分析
电弧3D打印TC4钛合金试样的显微硬度略高于基材硬度。在增材体中下部，硬度较表层稍低，这是因为中下部区域在增材过程中热积累量加剧，使得α相粗化，导致其硬度较表层低，约为330HV0.5。由于增材体顶层冷却速度较快，且没有经过多次重熔与热积聚的影响，存在大量的针状马氏体α'相，α'相为过饱和固溶体，硬度大，所以增材体表层硬度较大，约为360HV0.5。图7为电弧3D打印TC4钛合金试样的室温拉伸应力-应变曲线。可知，电弧3D打印TC4钛合金的拉伸性能具有明显的各向异性，试样沿增材高度方向的抗拉强度为720MPa，拉伸应变约为19%。
沿水平打印方向的抗拉强度为760MPa，拉伸应变为13%。即增材体增材高度方向的拉伸强度低于水平打印方向的，而拉伸塑性则优于水平打印方向。
Wang等[16]研究表明，沉积态样品在拉伸变形期间，载荷在穿过β柱状晶粒晶界时，会使得晶界α提前失效。Baufeld等[17]研究发现，沉积态拉伸性能具有各向异性的原因是存在外延生长的β柱状晶，即水平打印方向的拉伸件相对于增材高度方向的晶粒尺寸更细小，即包含更多的晶界，而晶界的存在会导致更大可能性的失效。即增材体在水平打印方向存在较多的晶界，在变形过程中晶界会对位错滑移有较强的阻碍作用，故强度较大而塑性略低。反之，增材高度方向上的β柱状晶近似平行于拉伸方向，晶界在拉伸过程中对位错滑移有着较弱的阻碍作用，故增材高度方向拉伸试样的强度略低而塑性较高。
结合图8给出的拉伸断口形貌，经比较两个方向拉伸试样的韧窝形貌发现，沿增材高度方向拉伸试样的韧窝深度大且韧窝数量多，即塑性较好。而水平打印方向断口微观形貌中韧窝较浅，类似于解理面，该断口形貌的出现说明其塑性一般，这印证了试样拉伸性能的测试结果。
表4给出了电弧3D打印增材体试样的室温冲击性能。可看出,TC4钛合金件的冲击韧性没有表现出明显的各向异性,增材高度方向与水平打印方向的冲击韧度均达到70J/cm2，高于HB5432-1989标准要求，抗冲击韧性较好。由于相邻β晶粒内存在取向不同的片状α相，这会使试样在断裂时的裂纹扩展方向发生改变，即断裂时需要消耗更多的能量，故冲击韧性较大。
图9为增材体试样竖直方向与水平方向的室温冲击断口形貌。可看到，断口处均存在韧窝，部分韧窝底部有小孔洞，断口韧窝特征明显；且增材高度方向与水平打印方向的断口处韧窝无明显差异，这与冲击实验所得到的数据结果一致。
3、结论
（1）采用CMT技术制备的TC4钛合金增材体，宏观形貌良好。近基板处为等轴晶组织，随着打印过程的进行，逐渐生成外延生长的β柱状晶。
（2）电弧3D打印TC4钛合金增材体近表层主要分布针状α'相，中下部主要有网篮组织、片层组织、少量残余α'相以及β相组成，且增材高度方向与水平打印方向组织无明显差异。
（3）硬度近基材处较小，中上部硬度较大，增材体顶层硬度达到最大值。粗大β柱状晶组织的存在，导致材料拉伸性能的各向异性，即沿水平方向拉伸强度较高，沿增材高度方向拉伸塑性较好。冲击韧性没有明显的各向异性，且增材高度方向与水平方向的冲击韧度均达到70J/cm2，高于HB5432-1989标准的要求。
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