芯丝电弧增材制造中颗粒上浮与迁移效应形成机制及激光冲击抑制！

摘要：随着高端装备对性能集成化和结构复杂化的需求升级，传统单材料成形技术已难以满足要求。金属基复合材料（MMCs）结合了陶瓷颗粒的高强度与金属基体的韧性，成为重要发展方向。电弧增材制造（WAAM）凭借高效率、大尺寸成形和低成本优势，在大型构件制造中展现出潜力。然而，

主要作者：Le Jia，Hao Yi*，Furui Jiao，Huajun Cao

第一单位：重庆大学

发表期刊：International Journal of Machine Tools and Manufacture

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2025.104260

通讯作者：haoyi@cqu.edu.cn (H. Yi)

1.多材料电弧增材制造的发展需求

随着高端装备对性能集成化和结构复杂化的需求升级，传统单材料成形技术已难以满足要求。金属基复合材料（MMCs）结合了陶瓷颗粒的高强度与金属基体的韧性，成为重要发展方向。电弧增材制造（WAAM）凭借高效率、大尺寸成形和低成本优势，在大型构件制造中展现出潜力。然而，现有WAAM工艺在多材料协同成形方面仍面临挑战，尤其是陶瓷颗粒的均匀分散问题。

Fig.1 An overview of the rationale behind the proposed particle flotation and laser shock suppression.

2.芯丝电弧增材制造的瓶颈问题

芯丝电弧增材制造（CWAAM）通过预置颗粒的芯丝结构可实现多材料一体化成形，但低密度颗粒在熔池中的上浮现象导致分布不均。这一现象由颗粒-熔体密度差异、熔池流动特性共同作用，引发缺陷（如孔隙、凝固融合缺陷）并削弱强化效果。现有抑制颗粒上浮的方法（如超声振动）对表层漂浮颗粒作用有限，亟需创新调控手段。

Fig. 2. Schematic illustration of experimental setup and principle and cored wire preparation.

3.激光冲击技术的创新应用

激光冲击技术通过超短脉冲（ns级）产生瞬时等离子体冲击波，可诱导熔池振荡并调控颗粒运动。该技术在抑制颗粒上浮、细化组织方面具有独特优势，为CWAAM工艺优化提供了新思路。

Fig.4 Schematic diagrams of samples for composition and microstructure characterization.

1.实验设计与材料开发

开发含5 wt% TiC颗粒的镍基合金芯丝，采用金属带轧制工艺封装球形Ni625粉末与TiC颗粒。搭建激光冲击辅助CWAAM系统：集成KUKA机器人、Fronius CMT焊机与Hercules-1000脉冲激光器，实现熔池实时干预。设计45°焊枪倾角避免激光头污染，通过振镜系统调整激光光斑（直径3.5 mm）与熔池匹配。

Fig.5 Model validation through experimental and simulation data.

2.工艺参数优化

对比固态丝（SWAAM）、芯丝（CWAAM）及激光冲击辅助CWAAM的成形参数，优化电流（142A）、送丝速度（5.5 m/min）、激光频率（5 Hz）与重叠率（71.4%）。采用层间冷却控制（降至40℃以下）减少热累积，确保成形稳定性。

Fig.6 Solid wire arc additive manufacturing (SWAAM), cored wire arc additive manufacturing (CWAAM), and laser shock-assisted cored wire arc additive manufacturing.

3.表征与模拟方法

通过高速摄像（1000 fps）记录熔滴过渡与熔池动态。利用3D轮廓仪、SEM-EBSD分析颗粒分布与微观结构，3D-CT量化孔隙缺陷。建立Fluent三维模型模拟激光冲击波-熔池相互作用，结合热物理参数（密度、表面张力、相变潜热）验证模型准确性。

Fig.8 Dynamic changes in molten pool surface morphology caused by laser shock.

研究结果

1.颗粒上浮机制解析

液滴过渡不稳定性：芯丝熔滴呈条状过渡，颗粒富集在熔池表面。短路过载时金属液柱回缩加剧颗粒溢出。

Fig.9 Macroscopic morphology of single-wall structures.

密度差异主导：TiC（4.93 g/cm³）与Ni基体（8.44 g/cm³）的密度差驱动上浮，导致上层颗粒体积分数达42.3%。

Fig.10 High-magnification cross-sectional morphology at various single-wall positions.

芯丝结构缺陷：轧制侧缝在高温下扩展，颗粒沿缝隙溢出，表层聚集形成凝固融合缺陷。

Fig.14 Analysis of the particle floating mechanism.

2.激光冲击抑制效果

熔池振荡调控：激光冲击波（压力峰值1.2 GPa）引发熔池剧烈振荡（振幅>0.5 mm），促使颗粒向熔池内部迁移。

Fig.15 Analysis of mechanical forces during the deposition process.

颗粒破碎与分散：冲击波使TiC颗粒二次破碎，平均粒径从28.7 μm降至14.5 μm，分布均匀性提升67%。

Fig.16 Comparison of molten pool morphology, particle dynamics, and fluid flow behavior.

缺陷消除：孔隙率从0.0179%降至0.0109%，凝固融合缺陷完全消除。

Fig.17 Schematic illustrating the mechanism of particle flotation and laser shock suppression.

3.组织与性能提升

晶粒细化：平均晶粒尺寸较SWAAM、CWAAM分别减少34.5%和23.3%，取向随机性增强。

Fig.18 Laser shock theory and particle distribution simulation of cored wire arc additive manufacturing (CWAAM) and laser shock-assisted cored wire arc additive manufacturing.

力学性能优化：平均显微硬度达394.8 HV0.3，较CWAAM提升18.6%；水平向屈服强度、延伸率分别提高7.71%和12.71%，各向异性显著降低。