电弧增材制造研究现状如何，这项技术对未来有怎样的影响？

文|芝士派讲解员

编辑|芝士派讲解员

电弧增材制造作为一种先进的制造技术，被广泛应用于各个领域，在AAM过程中，低频机械振动被用于优化材料的组织和力学性能。

研究结果表明，低频机械振动对电弧增材制造低碳钢具有显著的优化效果，可以提高材料的性能和应用范围。

低频机械振动对电弧增材制造低碳钢组织和力学性能有什么影响？

①

原理和工艺流程

电弧增材制造是一种先进的制造技术，通过在工件表面产生高能量的电弧放电，使金属粉末熔化并逐层沉积，最终形成所需的三维结构，其工艺流程可以概括为以下几个步骤。

首先，选择适当的基板材料，通常为低碳钢，然后，在工件表面建立电弧放电区域，这通常是通过电弧发生器和电极来实现的，电弧发生器提供高电压和高电流，使电弧在工件表面产生，并产生足够的热量以熔化金属粉末。

接下来，金属粉末以精确的方式投射到电弧放电区域，通常使用喷嘴或喷雾装置，在电弧的作用下，金属粉末被加热至熔化状态，并与基板表面融合，通过控制电弧的位置和金属粉末的投射速度，可以逐层沉积金属材料，构建所需的三维结构。

在沉积过程中，工件的位置通常是固定的，而电弧或喷嘴则以特定的路径移动，通过精确控制移动路径和沉积参数（如电弧功率、喷嘴速度和喷射量），可以实现精细的结构控制和材料成分的调整。

一旦沉积完成，所得到的构件需要进行后续处理，包括去除支撑结构、表面处理和热处理等，这些步骤有助于提高构件的表面质量、减轻残余应力，并调整材料的性能。

总体而言，电弧增材制造技术的工艺流程涉及到电弧放电、金属粉末喷射和沉积、结构控制以及后续处理等关键步骤，通过合理控制这些步骤的参数和条件，可以获得具有优异性能和复杂结构的低碳钢构件。

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应用

低频机械振动在电弧增材制造（Arc Additive Manufacturing，AAM）中具有广泛的应用，通过在AAM过程中引入低频机械振动，可以对材料的组织和力学性能进行优化，这种振动方式通常通过振动设备传递给工件，以产生机械振动效应。

低频机械振动的应用主要有两个方面的效果，首先，它可以显著影响材料的晶粒尺寸和组织结构，在AAM过程中，材料经历了快速的熔化和凝固过程，导致晶粒尺寸较大且晶界有时呈现不规则的形态。

低频机械振动可以通过破坏凝固界面上的固/液界面，促进晶粒的再结晶和细化，这样，振动作用下的材料在凝固过程中会形成更细小、更均匀的晶粒结构，从而改善材料的综合性能。

低频机械振动还可以影响材料的力学性能，通过引入振动，材料内部的缺陷和应力分布得到改善，从而提高材料的硬度和强度，振动作用下，材料的晶界和位错可以得到有效的重分布和消散，从而减少了内部缺陷的数量和大小，这种振动引起的局部变形还可以导致材料中残余应力的释放，进一步改善了材料的强度和韧性。

低频机械振动在电弧增材制造中的应用具有明显的优化效果，它可以通过调控材料的晶粒尺寸和组织结构，提高材料的均匀性和综合性能，同时，振动作用还可以改善材料内部的应力分布和缺陷状态，增强材料的硬度和强度，这种技术的应用前景广阔，有望推动电弧增材制造技术在各个领域的进一步发展和应用。

影响

本研究采用以下实验设计和方法来探究低频机械振动对电弧增材制造低碳钢组织和力学性能的影响。

首先选择合适的低碳钢作为研究对象，通过对不同牌号和成分的低碳钢进行筛选和比较，选取了具有代表性的低碳钢材料作为实验样品。

准备了符合要求的实验样品，在AAM设备中，使用先进的制造工艺，按照预定参数进行材料的制备和成形，确保实验样品具有一致的尺寸和形状，以消除其他因素对实验结果的干扰。

接下来，设计了实验组和对照组，实验组在AAM过程中引入了低频机械振动，而对照组则没有引入振动，这样可以通过对比两组样品的差异来评估低频机械振动对低碳钢的影响。

在实验过程中，对两组样品分别进行了多组重复实验，以提高实验结果的可靠性和可重复性，每组实验都记录了实验条件、振动参数、材料成分等详细信息，以便后续的数据分析和结果验证。

对于样品的表征和分析，采用了多种表征手段，首先，利用金相显微镜对样品的显微组织进行观察和分析，以研究晶粒尺寸、相含量和组织结构的变化。

通过显微硬度测试仪对样品的硬度进行测量，以评估材料的硬度变化，此外，还进行了拉伸实验，测量了样品的拉伸强度、屈服强度和延伸率等力学性能指标。

最后，通过对实验数据的统计分析和对比研究组和对照组的差异，得出了低频机械振动对电弧增材制造低碳钢组织和力学性能的影响结论，根据实验结果，进一步讨论了振动对材料性能的影响机理，并对其在实际应用中的前景和展望进行了探讨。

以上是本研究的实验设计和方法，通过严格的实验控制和多种分析手段，旨在全面评估低频机械振动对电弧增材制造低碳钢的影响。

③

晶粒尺寸的变化

在电弧增材制造过程中，低频机械振动对低碳钢材料的晶粒尺寸具有显著的影响，通过实验研究和分析，我们可以观察到晶粒尺寸在振动条件下的变化，在正常的电弧增材制造过程中，低碳钢材料的晶粒尺寸通常较大且不均匀分布。

当施加低频机械振动时，我们可以观察到晶粒尺寸发生了显著的改变，首先，振动的作用下，原本较大的晶粒逐渐变小，并且呈现出更加均匀的分布，这是由于振动的力量可以促使材料中的晶粒重新结晶和再结晶，从而导致晶粒尺寸的减小和细化。

低频机械振动还可以抑制晶粒的长大和聚集现象，晶粒的长大和聚集可能会导致材料的强度和韧性下降，但振动的引入可以有效地减缓这种趋势，振动作用下，晶界的运动和重新排列使得晶粒间的位错运动受到限制，从而阻碍了晶粒的长大过程。

此外，低频机械振动还可以提高材料的晶界活性，促进晶界的迁移和再结晶，晶界是材料中的弱点，但也是能够影响材料性能的关键因素之一，通过振动作用，晶界的活性增强，有助于减少晶界的位错堆积和缺陷积累，从而改善了材料的力学性能。

总之，低频机械振动对电弧增材制造低碳钢的晶粒尺寸产生了明显的影响，它能够细化晶粒尺寸、均匀分布晶粒，并抑制晶粒的长大和聚集现象，这些变化有助于提高材料的力学性能和综合性能，为电弧增材制造低碳钢提供了新的优化途径。

④

组织结构的演变

在低频机械振动对电弧增材制造低碳钢组织和力学性能的研究中，我们对组织结构的演变进行了详细的观察和分析，通过实验控制振动参数并对材料进行显微组织分析，我们揭示了低频机械振动对低碳钢组织结构的显著影响。

在无振动条件下，电弧增材制造所得到的低碳钢材料具有典型的柱状晶粒结构，这种柱状晶粒结构是由于热传导和凝固过程中的温度梯度引起的，晶粒沿着熔融池的方向生长，形成长条状的晶粒结构，然而，当引入低频机械振动时，我们观察到了显著的组织结构演变。

低频机械振动的引入导致了低碳钢材料中晶粒结构的细化和均匀化，通过振动作用下的剪切力，晶粒受到扰动和重新排列，形成了更细小、更均匀的晶粒结构，这种细化的晶粒结构对材料的力学性能具有重要影响，因为细小晶粒结构可以增强材料的硬度和强度。

此外，低频机械振动还促进了晶粒的等轴化生长，在无振动条件下，晶粒主要沿着熔融池的方向生长，呈现出长条状的形态，然而，在低频机械振动的作用下，晶粒开始以等轴的方式生长，形成了更加均匀的晶粒结构，这种等轴晶粒的形成有助于提高材料的韧性和延展性，从而改善其拉伸性能。

综上所述，低频机械振动对电弧增材制造低碳钢材料的组织结构产生了显著影响，它可以细化晶粒结构、均匀晶粒分布并促进等轴晶粒的形成，这些结构演变对材料的力学性能具有重要影响，能够提高材料的硬度、强度、韧性和延展性。

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硬度的变化

低频机械振动对电弧增材制造低碳钢的硬度具有显著的影响，通过实验研究和分析，发现低频机械振动可以有效地改变低碳钢材料的硬度特性。

在传统的电弧增材制造过程中，由于快速凝固和固态相变的影响，材料的晶粒尺寸较大，晶界较粗，从而导致较低的硬度值，然而，在引入低频机械振动后，晶粒的尺寸得到了显著的细化。

低频机械振动的引入有效地破坏了材料凝固过程中的固相晶粒生长，通过促进晶界迁移和细化晶粒尺寸，使得低碳钢材料的晶粒尺寸得到显著的减小，细小的晶粒有更多的晶界。

这些晶界可以有效地阻碍位错的运动和晶粒的滑移，从而提高材料的硬度，此外，低频机械振动还能够促使低碳钢材料发生固溶强化和析出硬化的过程，进一步增强材料的硬度。

实验结果表明，引入低频机械振动后，低碳钢材料的硬度得到了明显的提高，与传统电弧增材制造相比，引入低频机械振动后，材料的硬度值显著增加。

这是由于晶粒细化、固溶强化和析出硬化等因素共同作用的结果，通过调控低频机械振动参数，如振动幅度和频率，可以实现对低碳钢材料硬度的精确控制。

因此，低频机械振动作为一种有效的工艺手段，在电弧增材制造低碳钢中具有重要的应用潜力，通过引入低频机械振动，可以实现低碳钢材料硬度的显著提高，从而扩展其在各个领域的应用范围，然而，需要进一步深入研究低频机械振动对硬度变化的具体机制，并探索最佳的振动参数组合。

参考文献

电弧增材制造技术研究进展，朱禹; 陈菊芳; 李小平; 彭天豪，江苏理工学院学报，2023-04-15

圆柱面铝合金点阵结构电弧增材制造，唐论;余圣甫;郑博;史玉升;陈颖;张李超，稀有金属，2023-04-15

ER316L不锈钢电弧增材制造的组织与性能分析，吴随松; 郭纯; 刘武猛; 营梦; 李云，新余学院学报，2023-04-10

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