呂飛閱，王磊磊，竇志威，劉圣心，杜銘箴，高川云，占小紅*

（1 南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 211106；2 航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610073）

基于航空作戰(zhàn)體系對(duì)戰(zhàn)時(shí)快速反應(yīng)、高效制敵、高原作戰(zhàn)及高性能飛行器的迫切需求，新型飛行器零部件逐漸向大型化、輕質(zhì)化、整體化發(fā)展，并且對(duì)快速制造關(guān)鍵構(gòu)件的使用性能提出了更高的要求［1-3］。電弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）技術(shù)以電弧為熱源，在軟件和數(shù)控系統(tǒng)的控制下，采用材料逐層累加的方法快速制造實(shí)體零件［4-7］。該技術(shù)具有成本低、絲材利用率高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于制造大型薄壁航空航天構(gòu)件，例如起落架肋、襟翼肋、機(jī)翼肋或加強(qiáng)筋等［8-11］。但該技術(shù)也存在電弧不穩(wěn)定、成形零件精度偏低、熱輸入難以精準(zhǔn)調(diào)控、成形件殘余應(yīng)力大、氣孔缺陷無(wú)法消除等問(wèn)題，致使成形件綜合力學(xué)性能較差。因此，針對(duì)上述工藝弊端，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)廣泛開(kāi)展了電流模式、熱輸入量、工藝參數(shù)等對(duì)電弧增材制造鋁合金孔隙率、微觀組織及力學(xué)性能的影響研究［12-13］。

電流模式對(duì)電弧增材制造試樣的孔隙率有顯著影響，在冷金屬過(guò)渡（cold metal transfer，CMT）模式下產(chǎn)生的小氣孔數(shù)量最多，在CMT-PADV 模式下氣孔率最?。?4-15］。另外，熱輸入量也是控制孔隙率的關(guān)鍵因素之一［16］。當(dāng)送絲速度增加且熱輸入量較高時(shí)，提供給氣孔缺陷形核、聚集和生長(zhǎng)的時(shí)間更長(zhǎng)［17］，但當(dāng)增材過(guò)程采用合適熱輸入量時(shí)可抑制氣孔形成［18-21］。

電弧增材制造工藝參數(shù)的變化可顯著影響成形件的微觀組織形態(tài)及其力學(xué)性能。在CMT 模式下，由于電流值與CMT-PADV 模式相比較小，熱輸入值相對(duì)較小，可以有效地將柱狀晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒并細(xì)化晶粒尺寸［22］。隨著送絲速度增加，熱輸入隨之增加，熔池過(guò)熱程度增大，沉積層內(nèi)晶粒與析出相尺寸粗化，致使成形件的性能劣化［23-25］。隨著掃描速度的提高，凝固速率增加，故等軸晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)均減小，細(xì)小晶粒決定成形件擁有高強(qiáng)韌性［26-28］。

目前，部分學(xué)者已開(kāi)展了焊接相關(guān)的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系研究?；谀：碚摻⒘撕傅辣砻尜|(zhì)量穩(wěn)定性、余高穩(wěn)定性、熔寬穩(wěn)定性隸屬評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，提出了焊接質(zhì)量模糊綜合評(píng)判模型，對(duì)焊接實(shí)驗(yàn)中的定性指標(biāo)進(jìn)行定量化分析，為焊接實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的評(píng)判提供了一種精確、科學(xué)的評(píng)判方法［29-33］。

本工作針對(duì)2319 鋁合金電弧增材制造試塊，開(kāi)展“工藝-組織-性能”映射關(guān)系定量研究，形成電弧增材制造工藝參數(shù)、孔隙率與拉伸性能之間的對(duì)應(yīng)法則。通過(guò)引入晶粒尺寸、孔隙率、抗拉強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)定量衡量該成形件的質(zhì)量，且基于廣義模糊合成運(yùn)算法則，構(gòu)建2319 鋁合金電弧增材制造工藝參數(shù)、組織缺陷和力學(xué)性能之間的歸一化模糊評(píng)定模型，對(duì)不同工藝參數(shù)下的構(gòu)件質(zhì)量進(jìn)行量化評(píng)估，最終獲取最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

圖1 為電弧增材制造系統(tǒng)示意圖。從圖中可見(jiàn)，在實(shí)驗(yàn)中該系統(tǒng)主要由TransPlusSynergic 4000 CMT焊機(jī)、VR1500 4R/F++ROBOTER 送絲機(jī)構(gòu)、KUKA KR10R 1420 C4 焊接機(jī)器人及KR C4 機(jī)器人控制系統(tǒng)四大部分組成，通過(guò)分層切片軟件生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑程序，自動(dòng)控制焊槍行走與焊機(jī)啟動(dòng)，并逐層熔化焊絲沉積出2319 鋁合金試塊。另外，為防止電弧增材制造過(guò)程中雜質(zhì)氣體進(jìn)入熔池導(dǎo)致材料氣孔缺陷增多，采用純度為99.99%的氬氣進(jìn)行局部保護(hù)，保護(hù)氣流量設(shè)定為22 L/min。

圖1 電弧增材制造系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the wire arc additive manufacturing system

2319 鋁合金焊絲及2219 鋁合金基板的化學(xué)成分見(jiàn)表1。電弧增材制造實(shí)驗(yàn)所采用的基板為15 mm 厚的2219 鋁合金板，所用沉積材料為1.2 mm 直徑的2319 鋁合金焊絲。基板使用前需去除表面油污及致密的氧化膜，首先，采用角磨機(jī)將基板上表面打光，然后，再利用丙酮對(duì)打磨后的基板表面進(jìn)行擦拭，進(jìn)一步去除表面留存的顆粒雜質(zhì)。

表1 2319 鋁合金焊絲及2219 鋁合金基板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table1 Chemical compositions of 2319 aluminum alloy welding wire and 2219 aluminum alloy substrate（mass fraction/%）

采用控制變量法設(shè)計(jì)工藝實(shí)驗(yàn)方案，可以進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度和可靠性。因此，本實(shí)驗(yàn)為了保證保護(hù)氣流量、掃描路徑、層間溫度等條件恒定不變，通過(guò)改變電弧增材制造2319 鋁合金過(guò)程中的送絲速度及掃描速度來(lái)設(shè)計(jì)工藝實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檫@兩種工藝參數(shù)對(duì)成形試樣的缺陷、微觀組織及力學(xué)性能有著顯著的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電弧增材制造2319 合金工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。

表2 電弧增材制造2319 合金工藝參數(shù)設(shè)計(jì)Table2 Design of process parameters for wire arc additive manufacturing 2319 alloy

采用線切割機(jī)分別在電弧增材試塊的頂部、中部、底部切取金相試樣若干，其具體尺寸的長(zhǎng)×寬×高分別為5 mm×5 mm×2 mm。金相試樣采用1.5 mL HCl+1.0 mL HF+2.5 mL HNO3+95 mL H2O的Keller 試劑進(jìn)行腐蝕，之后在光學(xué)顯微鏡（optical microscope，OM）上進(jìn)行組織觀察。

本實(shí)驗(yàn)首先采用ASTM E112 標(biāo)準(zhǔn)中提供的線性比例測(cè)量方法來(lái)測(cè)量氣孔尺寸。之后，再使用圖像處理軟件Image-Pro Plus 6.0 提取不同工藝參數(shù)組合下金相圖中的氣孔面積，用氣孔總面積與金相圖面積之比作為孔隙率，并對(duì)試塊不同區(qū)域的孔隙率求平均值?？紫堵实挠?jì)算公式如下：

式中：P為孔隙率；ΣAi為金相試樣圖片中氣孔的總面積；AM為金相圖的面積。

另外，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)截線法測(cè)得不同工藝參數(shù)組合下金相圖中的平均晶粒尺寸。用一定長(zhǎng)度的直線截過(guò)晶粒，之后可以計(jì)算平均多長(zhǎng)的直線截過(guò)一個(gè)晶粒，也就是平均晶粒尺寸。平均晶粒尺寸Dave可表示為：

式中：L為直線長(zhǎng)度；N為截過(guò)晶?？倲?shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 電弧增材制造工藝參數(shù)與孔隙率之間的對(duì)應(yīng)法則研究

圖2 為氣孔形態(tài)閾值分割、閾值優(yōu)化及孔隙率計(jì)算過(guò)程。針對(duì)不同工藝參數(shù)下的電弧增材制造2319鋁合金試樣進(jìn)行金相觀察，同時(shí)對(duì)試樣頂部、中部、底部的孔隙率進(jìn)行定量計(jì)算與分析。首先，將金相圖片（圖2（a））進(jìn)行閾值分割，通過(guò)計(jì)算獲得最優(yōu)閾值為156，但是除了氣孔呈黑色，晶界也呈黑色，無(wú)法對(duì)其面積進(jìn)行精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，如圖2（b）所示。之后，進(jìn)行閾值優(yōu)化過(guò)程，將閾值改變?yōu)?6，黑色的晶界大部分被消除，僅留下黑色的氣孔缺陷，如圖2（c）所示。最終通過(guò)圖像處理分析軟件，對(duì)閾值優(yōu)化后的圖片進(jìn)行氣孔面積統(tǒng)計(jì)，根據(jù)式（1）可得該圖中的孔隙率值。另外，本研究針對(duì)多組工藝參數(shù)下制備的電弧增材試塊的不同部位，分別拍攝5~8 張金相圖進(jìn)行孔隙率計(jì)算，以便于消除實(shí)驗(yàn)誤差。

圖2 氣孔形態(tài)閾值分割、閾值優(yōu)化及孔隙率計(jì)算過(guò)程（a）金相圖；（b）閾值分割；（c）閾值優(yōu)化；（d）氣孔面積統(tǒng)計(jì)Fig.2 Pore morphology threshold segmentation，threshold optimization and porosity calculation process（a）metallographic diagram；（b）threshold segmentation；（c）threshold optimization；（d）porosity area statistics

圖3 為掃描速度恒定時(shí)送絲速度對(duì)試樣不同區(qū)域孔隙率的影響。由圖3（a）可知，當(dāng)電弧增材制造2319鋁合金掃描速度恒定為0.02 m/s 時(shí)，隨著送絲速度（Vf）的增加，試樣的頂部、中部、底部的孔隙率均呈上升趨勢(shì)，具體數(shù)值見(jiàn)表3。當(dāng)電弧增材制造2319 鋁合金掃描速度（Vt）恒定為0.025 m/s 時(shí)，隨著送絲速度的增加，試樣頂部與中部的孔隙率均呈下降趨勢(shì)，而試樣底部卻呈上升趨勢(shì)，如圖3（b）所示。由圖3（c）可知，當(dāng)電弧增材制造2319 鋁合金掃描速度恒定為0.03 m/s 時(shí)，隨著送絲速度的增加，試樣不同區(qū)域的孔隙率呈波浪式變化。隨著送絲速度從5.0 m/min 增加至6.0 m/min 的過(guò)程中，各區(qū)域平均孔隙率均呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明熱輸入對(duì)孔隙率的影響較大，氣泡長(zhǎng)大現(xiàn)象明顯，如圖3（d）所示。

表3 不同送絲速度下不同區(qū)域孔隙率統(tǒng)計(jì)Table3 Porosity statistics of different regions at different wire feeding speeds

圖3 掃描速度恒定時(shí)不同送絲速度下不同區(qū)域的孔隙率統(tǒng)計(jì)（a）Vt=0.020 m/s；（b）Vt=0.025 m/s；（c）Vt=0.035 m/s；（d）試樣不同區(qū)域平均孔隙率Fig.3 Porosity statistics of different areas at different wire feeding speeds at constant scanning speed（a）Vt=0.020 m/s；（b）Vt=0.025 m/s；（c）Vt=0.035 m/s；（d）average porosity of different areas of the sample

圖4 為送絲速度恒定時(shí)掃描速度對(duì)不同區(qū)域孔隙率的影響。由圖4（a）可知，當(dāng)電弧增材制造2319 鋁合金送絲速度恒定為5.0 m/min 時(shí)，隨著掃描速度的增加，試樣的頂部與中部的孔隙率均呈先上升后下降的趨勢(shì)，而試樣底部呈均勻上升趨勢(shì)，具體數(shù)值見(jiàn)表4。當(dāng)電弧增材制造2319 鋁合金送絲速度恒定為5.5 m/min 時(shí)，隨著掃描速度的增加，試樣頂部的孔隙率呈先下降后上升的趨勢(shì)，試樣中部呈先上升后下降的趨勢(shì)，而試樣底部呈均勻上升趨勢(shì)，如圖4（b）所示。由圖4（c）可知，當(dāng)電弧增材制造2319 鋁合金送絲速度恒定為6.0 m/min 時(shí)，隨著掃描速度的增加，試樣各區(qū)域的孔隙率均呈下降的趨勢(shì)。隨著掃描速度從0.020 m/s 增加至0.035 m/s，試樣頂部平均孔隙率呈明顯下降趨勢(shì)，而試樣中部與底部變化不明顯，如圖4（d）所示。

表4 不同掃描速度下不同區(qū)域孔隙率統(tǒng)計(jì)Table4 Porosity statistics of different regions at different scanning speeds

圖4 送絲速度恒定時(shí)不同掃描速度下不同區(qū)域的孔隙率統(tǒng)計(jì)（a）Vf=5.0 m/min；（b）Vf=5.5 m/min；（c）Vf=6.0 m/min；（d）試樣不同區(qū)域的平均孔隙率Fig.4 Porosity statistics of different areas at different wire feeding speeds at constant scanning speed（a）Vf=5.0 m/min；（b）Vf=5.5 m/min；（c）Vf=6.0 m/min；（d）average porosity of different areas of the sample

圖5 為電弧增材制造2319 合金送絲速度、掃描速度與試樣孔隙率三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著掃描速度的降低，孔隙率基本呈下降的趨勢(shì)。這是由于熱輸入減小后，氣孔無(wú)法長(zhǎng)大，且形成的氣孔數(shù)量也較少。當(dāng)送絲速度為5.0 m/min 且掃描速度為0.020 m/s時(shí)，試樣平均孔隙率最低。而當(dāng)送絲速度為6.5 m/min 且掃描速度為0.020 m/s 時(shí)，熱輸入量最大，導(dǎo)致溫度梯度較大，氣泡還沒(méi)完全溢出就已凝固，氣孔數(shù)量增多。同時(shí)，氣孔在熱作用下長(zhǎng)大，其尺寸明顯粗化，最終導(dǎo)致試樣內(nèi)部孔隙率顯著增高。

圖5 電弧增材制造2319 鋁合金送絲速度、掃描速度與孔隙率對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.5 Relationship between wire feeding speed，scanning speed and porosity of 2319 aluminum alloy manufactured by WAAM

2.2 電弧增材制造“工藝-組織-性能”對(duì)應(yīng)法則研究

圖6 為掃描速度恒定時(shí)送絲速度-孔隙率-抗拉強(qiáng)度三者之間的關(guān)系。對(duì)不同送絲速度與孔隙率下的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。根據(jù)擬合的曲面，獲取工藝-缺陷-性能對(duì)應(yīng)法則，并探尋不同工藝參數(shù)下孔隙率與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)掃描速度為0.020 m/s 時(shí)，隨著送絲速度的減小及孔隙率的升高，抗拉強(qiáng)度值較高，如圖6（a）所示。一般情況下，孔隙率升高會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低，這說(shuō)明該工藝參數(shù)下孔隙率與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性較低，決定系數(shù)（coefficient of determiation，COD）為0.8。在該掃描速度下，送絲速度-孔隙率-抗拉強(qiáng)度值空間曲面表達(dá)式為：

表5 不同送絲速度與孔隙率下的抗拉強(qiáng)度值統(tǒng)計(jì)Table5 Statistics of tensile strength value at different wire feeding speed and porosity

圖6 掃描速度恒定時(shí)送絲速度-孔隙率-抗拉強(qiáng)度擬合曲面圖（a）Vt=0.020 m/s；（b）Vt=0.025 m/s；（c）Vt=0.035 m/s 與擬合曲面函數(shù)系數(shù)表Fig.6 Fitting curve of wire feeding speed-porosity-tensile strength at constant scanning speed（a）Vt=0.020 m/s；（b）Vt=0.025 m/s；（c）Vt=0.035 m/s and fitting surface function coefficient table

式中：x為送絲速度；y為孔隙率；z為抗拉強(qiáng)度值。

當(dāng)掃描速度為0.025 m/s 時(shí)，隨著送絲速度的減小，氣孔不會(huì)明顯粗化，孔隙率相對(duì)較低，因此抗拉強(qiáng)度值較高，如圖6（b）所示，此時(shí)該工藝參數(shù)下孔隙率與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性較高，此時(shí)COD 高達(dá)1.0。在該掃描速度下，送絲速度-孔隙率-抗拉強(qiáng)度值空間曲面表達(dá)式為：

當(dāng)掃描速度為0.035 m/s 時(shí)，隨著送絲速度的增加，熱輸入增加，氣孔明顯粗化，孔隙率也隨之升高，同時(shí)抗拉強(qiáng)度值也有顯著提升，如圖6（c）所示。該工藝參數(shù)下抗拉強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)著送絲速度最大且孔隙率最高的情況，說(shuō)明該工藝參數(shù)下孔隙率與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性最低，COD 僅為0.6。在該掃描速度下，送絲速度-孔隙率-抗拉強(qiáng)度值空間曲面表達(dá)式為：

對(duì)比式（3）~（5）可以看出，當(dāng)y為0 時(shí)，隨著掃描速度從0.020 m/s 增加至0.035 m/s，曲線斜率顯著下降，這說(shuō)明掃描速度越小，抗拉強(qiáng)度隨送絲速度的變化越明顯。當(dāng)x為0 時(shí)，隨著掃描速度從0.020 m/s 增加至0.035 m/s，曲線斜率的絕對(duì)值先增加后減小。因此，當(dāng)掃描速度為0.025 m/s 時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨孔隙率的變化最顯著。

圖7 為送絲速度恒定時(shí)掃描速度-孔隙率-抗拉強(qiáng)度三者之間的關(guān)系。當(dāng)送絲速度為5.0 m/min 時(shí)，隨著掃描速度的減小，熱輸入量增加，試樣孔隙率升高，但抗拉強(qiáng)度值較高，如圖7（a）所示，說(shuō)明該工藝參數(shù)下孔隙率與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性較低。在該掃描速度下，送絲速度-孔隙率-抗拉強(qiáng)度值空間曲面表達(dá)式為：

圖7 送絲速度恒定時(shí)掃描速度-孔隙率-抗拉強(qiáng)度擬合曲面圖（a）Vf=5.0 m/min；（b）Vf=5.5 m/min 時(shí)；（c）Vf=6.0 m/min 與擬合曲面函數(shù)系數(shù)表Fig.7 Scanning speed-porosity-tensile strength fitting curve at constant wire feeding speed（a）Vf=5.0 m/min；（b）Vf=5.5 m/min；（c）Vf=6.0 m/min and fitting surface function coefficient table

當(dāng)送絲速度為5.5 m/min 時(shí)，與上一組工藝參數(shù)相比，紅色區(qū)域面積較小，說(shuō)明該工藝參數(shù)下孔隙率與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性較高，此時(shí)送絲速度-孔隙率-抗拉強(qiáng)度值空間曲面表達(dá)式為：

當(dāng)送絲速度為6.0 m/s 時(shí)，與前兩組工藝參數(shù)相比，紅色區(qū)域面積較大，這意味著該工藝參數(shù)下孔隙率與力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)性最低，證明隨著送絲速度的增加，工藝參數(shù)、微觀組織與力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)性急劇下降，此時(shí)送絲速度-孔隙率-抗拉強(qiáng)度值空間曲面表達(dá)式為：

對(duì)比式（6）~（8）可以看出，當(dāng)y為0 時(shí)，隨著送絲速度從5.0 m/min 增加至6.0 m/min，曲線斜率的絕對(duì)值顯著增加，說(shuō)明抗拉強(qiáng)度隨掃描速度的變化越明顯。當(dāng)x為0 時(shí)，隨著送絲速度從5.0 m/min 增加至6.0 m/min，曲線斜率的絕對(duì)值也呈上升趨勢(shì)。因此，當(dāng)送絲速度為6.0 m/s 時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨孔隙率的變化最顯著。

綜上所述，對(duì)不同掃描速度與孔隙率下的抗拉強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。當(dāng)送絲速度為5.0 m/min 且掃描速度為0.025 m/s 時(shí)，孔隙率與抗拉強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性較低，則更適合用該工藝參數(shù)進(jìn)行增材，在保證氣孔適當(dāng)存在的條件下具有較優(yōu)異的力學(xué)性能。

表6 不同掃描速度與孔隙率下的抗拉強(qiáng)度值統(tǒng)計(jì)Table6 Statistics of tensile strength values at different scanning speeds and porosity

2.3 基于“工藝-組織-性能”的歸一化模糊評(píng)定模型研究

根據(jù)電弧增材試樣中的微觀組織形貌變化，通過(guò)引入晶粒尺寸指標(biāo)來(lái)定量衡量該成形件的微觀組織形貌，同時(shí)確定晶粒尺寸綜合評(píng)判指標(biāo)A1及A11（晶粒尺寸粗化）、A12（晶粒尺寸中等）、A13（晶粒尺寸細(xì)化）三個(gè)分層評(píng)價(jià)指標(biāo)；根據(jù)電弧增材試樣中的缺陷數(shù)量，通過(guò)引入孔隙率指標(biāo)來(lái)定量衡量該成形件的質(zhì)量，同時(shí)確定缺陷綜合評(píng)判指標(biāo)A2及A21（高孔隙率）、A22（中孔隙率）、A23（低孔隙率）三個(gè)分層評(píng)價(jià)指標(biāo)；根據(jù)電弧增材試樣中的力學(xué)性能要求，通過(guò)引入抗拉強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)定量衡量該成形件的性能，同時(shí)確定抗拉強(qiáng)度綜合評(píng)判指標(biāo)A3及A31（抗拉強(qiáng)度較高）、A32（抗拉強(qiáng)度中等）、A33（抗拉強(qiáng)度較低）三個(gè)分層評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖8 為電弧增材制造2319 鋁合金不同工藝參數(shù)下試樣微觀組織形貌，并對(duì)該圖中的晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表7。圖9 為電弧增材制造2319鋁合金不同工藝參數(shù)下試樣晶粒尺寸分布直方圖。圖10 為不同工藝參數(shù)下的電弧增材制造試樣抗拉強(qiáng)度的變化，具體數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表7。

表7 電弧增材制造2319 合金不同工藝參數(shù)試樣質(zhì)量評(píng)估表Table7 Quality evaluation table of 2319 alloy made by WAAM with different process parameters

圖9 電弧增材制造2319 鋁合金不同工藝參數(shù)下試樣晶粒尺寸分布直方圖Fig.9 Histogram of grain size distributions of 2319 aluminum alloy sample manufactured by WAAM under different process parameters

圖10 不同工藝參數(shù)下電弧增材制造2319 鋁合金試樣的抗拉強(qiáng)度值Fig.10 Tensile strength value of 2319 aluminum alloy sample manufactured by WAAM under different process parameters

按照專(zhuān)家評(píng)估表的方法確定各指標(biāo)的權(quán)重A=(A1，A2，A3)=(0.2，0.2，0.6)，并根據(jù)等差打分法的原理對(duì)各評(píng)語(yǔ)Vij=(j=1，2，3)進(jìn)行等差打分，設(shè)評(píng)分集F=(f1，f2，f3)T=(100，75，50)T。由5 人組成專(zhuān)家評(píng)分團(tuán)對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的評(píng)語(yǔ)Vij進(jìn)行評(píng)判。如對(duì)電弧增材制造2319 鋁合金試樣晶粒尺寸進(jìn)行評(píng)價(jià)，5 位專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)A1作出細(xì)化（2 人）、中等（3 人）、粗化（0 人）的評(píng)價(jià)，則有指標(biāo)A1評(píng)價(jià)矩陣V1=(V11，V12，V13)=(0.4，0.6，0)，同理求出V2和V3，最后可得電弧增材制造2319 鋁合金實(shí)驗(yàn)的歸一化評(píng)價(jià)矩陣R1為：

經(jīng)過(guò)模糊關(guān)系的合成和矩陣乘積可得綜合評(píng)分S1為：S1=A?R1?F=80，則證明電弧增材制造過(guò)程中，采用0.02 m/s 的掃描速度及5.0 m/min 的送絲速度最終的綜合得分為80 分。最終，根據(jù)以上計(jì)算出的歸一化評(píng)價(jià)矩陣，可求出其他11 組實(shí)驗(yàn)的綜合評(píng)分見(jiàn)表8。

表8 電弧增材制造2319 合金專(zhuān)家評(píng)分表Table8 Expert scoring table of WAAMed 2319 alloy

由評(píng)分表可以看出，試樣5 的評(píng)分最高（100 分），其次是試樣4（95 分）和試樣11（90 分）的評(píng)分較高，試樣3 和9 的評(píng)分最低（65 分）。其余試樣評(píng)分中等，均在70~90 分之間。結(jié)合不同工藝參數(shù)下的晶粒尺寸、孔隙率與抗拉強(qiáng)度數(shù)值可以看出，當(dāng)掃描速度較慢時(shí)（0.020 m/s），評(píng)分基本在80 分以上。隨著送絲速度的增加，增材熱輸入值顯著增加，層間與道間無(wú)裂紋或其他缺陷出現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度值基本呈升高趨勢(shì)。當(dāng)掃描速度增加至0.025 m/s 時(shí)，評(píng)分波動(dòng)較大。當(dāng)送絲速度較小時(shí)（5.0 m/min），熱輸入較低，導(dǎo)致晶粒尺寸較細(xì)，同時(shí)孔隙率較低，因此抗拉強(qiáng)度值也有所提升，專(zhuān)家評(píng)分高達(dá)100 分。當(dāng)送絲速度增加至6.0 m/min，熱輸入顯著增加，晶粒尺寸開(kāi)始粗化，同時(shí)氣孔也隨之長(zhǎng)大，且在快速凝固過(guò)程中無(wú)法完全溢出導(dǎo)致氣孔夾雜，因此試樣力學(xué)性能略有下降，專(zhuān)家評(píng)分僅為70分。當(dāng)掃描速度增加至0.035 m/s 時(shí)，隨著送絲速度的增加，專(zhuān)家評(píng)分呈先下降后上升的趨勢(shì)。雖然隨著送絲速度增加，孔隙率有所減小，但晶粒尺寸在不斷增加的熱輸入下粗化，同時(shí)試樣的拉伸性能顯著惡化，導(dǎo)致專(zhuān)家評(píng)分降低。當(dāng)送絲速度繼續(xù)增加時(shí)，雖然晶粒尺寸與孔隙率較大，但此時(shí)工藝參數(shù)、微觀組織與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)性較低，且層間與道間無(wú)裂紋或其他缺陷出現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度值基本呈升高趨勢(shì)，專(zhuān)家評(píng)分也因此提升。

3 結(jié)論

（1）構(gòu)建電弧增材制造送絲速度、掃描速度與試樣孔隙率三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著送絲速度增加，孔隙率基本呈上升趨勢(shì)；隨著掃描速度的降低，孔隙率基本呈下降的趨勢(shì)。當(dāng)送絲速度為5.0 m/min 且掃描速度為0.020 m/s 時(shí)，試樣平均孔隙率最低，此時(shí)的熱輸入量較低，形成的氣孔較少且氣孔也無(wú)法快速長(zhǎng)大；當(dāng)送絲速度為7.0 m/min 且掃描速度為0.020 m/s時(shí)，熱輸入量最大，導(dǎo)致溫度梯度較大，氣泡還沒(méi)完全溢出就已凝固，試樣平均孔隙率最高。

（2）擬合了不同工藝參數(shù)、孔隙率與抗拉強(qiáng)度值之間的空間曲面表達(dá)式，構(gòu)建了電弧增材制造“工藝-組織-性能”對(duì)應(yīng)法則。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掃描速度為0.035 m/s 時(shí)，孔隙率與抗拉強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性最低，COD僅為0.6。隨著送絲速度的增加，工藝參數(shù)、孔隙率與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)性急劇下降。當(dāng)送絲速度為5.0 m/min 且掃描速度為0.025 m/s 時(shí)，孔隙率與抗拉強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性較低，則更適合用該工藝參數(shù)進(jìn)行增材，在保證氣孔適當(dāng)存在的條件下具有較優(yōu)異的力學(xué)性能。

（3）基于廣義模糊合成運(yùn)算法則，構(gòu)建了2319 鋁合金電弧增材制造工藝參數(shù)、微觀組織和力學(xué)性能之間的歸一化模糊評(píng)定模型，對(duì)不同工藝參數(shù)下的構(gòu)件質(zhì)量進(jìn)行量化評(píng)估，獲取最優(yōu)工藝參數(shù)組合。當(dāng)送絲速度為5.0 m/min 且掃描速度為0.025 m/s 時(shí)，專(zhuān)家綜合評(píng)分值最高，說(shuō)明該工藝參數(shù)組合最優(yōu)。此時(shí)熱輸入較低，晶粒尺寸較為細(xì)小，同時(shí)孔隙率也較低，因此抗拉強(qiáng)度值也有所提升。