36頁(yè)綜述下的鈦合金電弧增材（WAAM）工業(yè)化悖論：成型易，品控難，混合制造是未來(lái)

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2017年，Norsk Titanium宣布用電弧增材（WAAM）為波音787供應(yīng)艙門鎖扣，整個(gè)航空制造業(yè)和增材制造業(yè)為之一振。

電弧增材讓每架飛機(jī)省300萬(wàn)美元，材料利用率從20%飆到80%。

這個(gè)關(guān)鍵案例揭示了WAAM的核心優(yōu)勢(shì)：高沉積率、低設(shè)備成本、適合大型結(jié)構(gòu)件。

但WAAM工業(yè)應(yīng)用的門檻遠(yuǎn)不止于此，有一系列問(wèn)題需要被解決。

德里理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)在2025年11月發(fā)表的這篇《Journal of Materials Science》綜述，系統(tǒng)梳理了WAAM技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)線過(guò)程中面臨的各種問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

更重要的是，詳細(xì)總結(jié)了混合制造技術(shù)如何逐一破解這些難題。

AM易道對(duì)于該文章的許多理解和表達(dá)已脫離原文章的原始技術(shù)表述，有大量原創(chuàng)主觀的解讀創(chuàng)作成分，如需要了解更多原始硬核技術(shù)內(nèi)容，請(qǐng)自行閱讀原文。

圖1開門見山地列出了五大技術(shù)挑戰(zhàn)：表面粗糙度、殘余應(yīng)力、尺寸精度、氣孔控制、各向異性。

雖然列出了WAAM的各類問(wèn)題，但同時(shí)也是對(duì)應(yīng)技術(shù)進(jìn)化的清晰路線圖。

過(guò)去五年，層間軋制、超聲輔助、磁場(chǎng)調(diào)控、AI建模等混合方案的成熟度顯著提升，正在試圖解決WAAM大規(guī)模工業(yè)化的一系列問(wèn)題。

WAAM的工藝參數(shù)精細(xì)化調(diào)控

先看基礎(chǔ)問(wèn)題：WAAM究竟怎么把鈦合金絲變成零件的？

圖10展示了三大主流工藝：GMAW（熔化極氣保焊）、GTAW（鎢極氬弧焊）、PAW（等離子弧焊）。

本質(zhì)都是用電弧當(dāng)熱源，把送進(jìn)來(lái)的鈦合金絲熔化堆積，一層層往上摞。

相比激光粉末床（LPBF）每小時(shí)幾十立方厘米的沉積率，WAAM能達(dá)到1000 cm3/h，這種量級(jí)差異決定了它在大型結(jié)構(gòu)件制造中的獨(dú)特價(jià)值。

圖2對(duì)比了低速和高速沉積的微觀組織，差別很大：

低速樣品里柱狀β晶粗大且貫穿多層，高速樣品晶粒細(xì)碎但容易產(chǎn)生未熔合。

論文數(shù)據(jù)顯示，行進(jìn)速度從低到高，α相板條間距從5.66微米降到1.2微米，硬度卻從304HV飆到348HV。

挑戰(zhàn)是，航空零件既要高強(qiáng)度（需要細(xì)晶粒），又要好韌性（需要低殘余應(yīng)力）。而從圖中可以看到傳統(tǒng)鈦合金WAAM里基本互斥。

圖3的對(duì)比更直接，熱輸入的調(diào)控是關(guān)鍵。高熱輸入樣品全是馬氏體α'，硬但脆；低熱輸入樣品是初生α加少量α'，軟但韌。

基于這種情況，很考驗(yàn)工程師調(diào)參數(shù)的水平，結(jié)構(gòu)件可選高強(qiáng)度參數(shù)，能量吸收部件則可優(yōu)先考慮韌性。

再看電弧增材的保護(hù)氣體。

圖4的高速攝影抓拍了不同氦氣配比下的熔滴轉(zhuǎn)移：

純氬氣時(shí)電弧電壓15V，熔滴細(xì)密；加50%氦氣后電壓跳到16.3V，熔滴變大；純氦氣直接飆到18.6V，弧長(zhǎng)縮短但熔池過(guò)熱。

圖5的微觀照片顯示，純氦氣保護(hù)下α相板條粗化到2.88微米，延伸率倒是漲到16%以上。

這說(shuō)明通過(guò)氣氛調(diào)控，可以在強(qiáng)度-韌性之間實(shí)現(xiàn)平衡。

通過(guò)上面幾張圖可以感受到，WAAM調(diào)參難度高，送絲速度、行進(jìn)速度、電流電壓、氣體配比，動(dòng)一個(gè)就得重調(diào)其他仨。

AM易道認(rèn)為，WAAM工藝難度高于LPBF，因?yàn)閃AAM多處于開放環(huán)境且每個(gè)工藝變量背后的硬件往往是非標(biāo)準(zhǔn)化的。

WAAM的微觀組織主動(dòng)調(diào)控
比調(diào)參數(shù)還麻煩的，是打印過(guò)程的熱歷史造成的各種各樣的微觀組織結(jié)構(gòu)，但這是實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化的基礎(chǔ)。

圖6展示了不同熱處理對(duì)微觀組織的影響：應(yīng)力退火（600℃/4h）基本不改變層狀結(jié)構(gòu)，只有固溶+退火（930℃/1h+800℃/2h）才能把原始的α板條打散重組。這些認(rèn)知，這為后續(xù)混合制造策略提供了理論依據(jù)。

圖7的EBSD分析揭示了各向異性的問(wèn)題。

通過(guò)改變沉積路徑或引入層間處理，可以弱化織構(gòu)強(qiáng)度，降低各向異性。

圖8的TEM照片總結(jié)WAAM的一些常見缺陷發(fā)生機(jī)理：α/α'和β相界面密布位錯(cuò)墻，這些缺陷在循環(huán)加載時(shí)就是裂紋萌生點(diǎn)。

圖9的示意圖解釋了斷裂機(jī)制，微裂紋優(yōu)先在α集束與先驗(yàn)β晶界的45°交界處萌生，然后沿著板條界面擴(kuò)展。

航空零件最怕的正是這種斷裂帶來(lái)的疲勞失效，目前業(yè)界已有的研究能夠?yàn)橛邢拊抡婧土慵勖u(píng)估提供物理基礎(chǔ)。

論文里有組數(shù)據(jù)特別真實(shí)：表1匯總了十幾篇文獻(xiàn)的WAAM Ti-6Al-4V力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度從820MPa到1034MPa，延伸率從6%到17%，跨度巨大。

這種一致性差，是高端工業(yè)應(yīng)用的攔路虎。但樂觀點(diǎn)看，這表實(shí)際上反映了WAAM參數(shù)窗口的靈活性。

同樣的Ti-6Al-4V，可以通過(guò)不同工藝組合獲得不同的性能。

WAAM的混合制造技術(shù)的系統(tǒng)集成

混合制造代表了WAAM技術(shù)的重要發(fā)展方向。

圖11對(duì)比了不同增材工藝的特性：WAAM在沉積率、成本、尺寸能力上具有明顯優(yōu)勢(shì)，而混合方案正在補(bǔ)齊精度和表面質(zhì)量的短板。

圖12系統(tǒng)展示了五大類混合技術(shù)路線：

這張圖值得收藏。

(a-d) 機(jī)械輔助方案，層間軋制、原位鍛打技術(shù)通過(guò)塑性變形引入儲(chǔ)能，促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。

研究數(shù)據(jù)顯示，軋制處理可將β晶尺寸從785微米細(xì)化至371微米，長(zhǎng)寬比從3.42降至2.16。更重要的是，這種處理在高溫態(tài)進(jìn)行，能耗低于傳統(tǒng)熱處理。

(e) 磁場(chǎng)輔助技術(shù)，外加磁場(chǎng)通過(guò)洛倫茲力改變?nèi)鄢貙?duì)流模式，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)均勻化。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在In625等難加工合金上驗(yàn)證有效，正在向Ti-6Al-4V推廣。

(f-g) 超聲輔助方案，超聲振動(dòng)在基板或送絲端施加，通過(guò)空化效應(yīng)和強(qiáng)制對(duì)流細(xì)化晶粒。

圖14的多尺度表征顯示，超聲處理后織構(gòu)隨機(jī)性增強(qiáng)，這直接改善了各向異性問(wèn)題。

圖16將所有策略整合為完整的工藝優(yōu)化框架：從層間滾壓到磁場(chǎng)調(diào)控，從超聲激勵(lì)到熱梯度管理。

這張圖也值得收藏。

關(guān)鍵進(jìn)展在于，這些技術(shù)不再是孤立應(yīng)用，而是開始探索協(xié)同效應(yīng)。

例如，超聲輔助+磁場(chǎng)調(diào)控的組合，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室展示出優(yōu)于單一方法的效果。

WAAM的AI驅(qū)動(dòng)的智能化制造

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法正在加速WAAM的工業(yè)化進(jìn)程。

傳統(tǒng)DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要數(shù)百次試驗(yàn)才能覆蓋參數(shù)空間，而圖17展示的機(jī)器學(xué)習(xí)框架提供了更高效的路徑：

通過(guò)建立工藝-組織-性能-服役（PSPP）的數(shù)據(jù)映射，實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化和性能預(yù)測(cè)。

圖18展示的自動(dòng)化規(guī)劃系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用：輸入CAD模型后，系統(tǒng)自動(dòng)生成分層路徑、預(yù)測(cè)道次形貌、計(jì)算工藝參數(shù)，輸出機(jī)器人代碼。

這種端到端的自動(dòng)化，將工藝規(guī)劃時(shí)間從數(shù)天縮短至數(shù)小時(shí)。

圖19的應(yīng)力預(yù)測(cè)框架展示了AI的另一個(gè)價(jià)值：從沉積順序矩陣直接預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力場(chǎng)，繞過(guò)耗時(shí)的有限元仿真。

驗(yàn)證案例表明，預(yù)測(cè)精度可達(dá)±15MPa，而計(jì)算時(shí)間縮短了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

論文總結(jié)道，當(dāng)前的研究重點(diǎn)已經(jīng)從能否預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)向如何泛化。

論文呼吁建立開放的WAAM數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫(kù)，包含標(biāo)準(zhǔn)化的多尺度關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。

論文提到，歐洲的AM-Motion項(xiàng)目、美國(guó)的MfgUSA平臺(tái)都在推進(jìn)這一方向，我國(guó)的增材制造國(guó)家創(chuàng)新中心也在構(gòu)建類似體系。

WAAM工業(yè)應(yīng)用的場(chǎng)景拓展

WAAM技術(shù)的應(yīng)用版圖正在快速擴(kuò)張。

圖20a展示的案例涵蓋航空航天、國(guó)防、核電、船舶等領(lǐng)域。波音787艙門鎖扣、空客翼肋支架已經(jīng)完成工程驗(yàn)證，火箭燃料艙、核電管道接頭正在進(jìn)行試制。

這張圖也值得WAAM從業(yè)者收藏。

表2則系統(tǒng)梳理了不同行業(yè)的技術(shù)需求，也值得收藏：

海軍艦艇現(xiàn)場(chǎng)維修是個(gè)典型案例。

傳統(tǒng)方式需要拆卸運(yùn)回船廠，周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大。

便攜式WAAM系統(tǒng)面臨濕度、鹽霧、供電等挑戰(zhàn)，但技術(shù)方案已經(jīng)成型：密封保護(hù)艙+惰性氣氛循環(huán)+電池供電，印度、韓國(guó)的海軍都在試點(diǎn)。

電弧增材技術(shù)路線的前瞻布局

圖21描繪了WAAM技術(shù)的演進(jìn)方向，從單一材料到多材料復(fù)合，從合金到功能梯度結(jié)構(gòu)，從離線規(guī)劃到數(shù)字孿生閉環(huán)。

這張圖依舊值得收藏。

方向1：原位合金化與功能梯度

包芯絲、絞合絲、多絲同步送料技術(shù)正在成熟。通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整送絲配比，可以實(shí)現(xiàn)成分梯度控制，零件底部高強(qiáng)度Ti-6Al-4V，中部添加TiC增強(qiáng)耐磨性，表面富鋁提升抗氧化性。

方向2：數(shù)字孿生與閉環(huán)控制

當(dāng)前進(jìn)展包括：

• 熔池視覺識(shí)別算法，響應(yīng)時(shí)間<50ms

• 基于深度學(xué)習(xí)的缺陷預(yù)測(cè)模型，準(zhǔn)確率>90%

• 工藝參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整，已在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

這是工業(yè)化的最后一公里。

歐洲CEN/TC 438在推進(jìn)WAAM材料數(shù)據(jù)表標(biāo)準(zhǔn)，ISO/TC 261正在制定增材制造質(zhì)量管理規(guī)范。我國(guó)的全國(guó)增標(biāo)委也在同步跟進(jìn)。

值得一提的是數(shù)字材料護(hù)照（Digital Material Passport）概念的提出：

每個(gè)零件從原材料批次、工藝參數(shù)、過(guò)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)到性能測(cè)試結(jié)果，形成完整可追溯鏈條。區(qū)塊鏈技術(shù)的引入，為數(shù)據(jù)防篡改提供了技術(shù)保障。

AM易道觀察：混合制造重構(gòu)價(jià)值鏈

這篇綜述的價(jià)值不在于羅列挑戰(zhàn)，而在于清晰勾勒出技術(shù)進(jìn)化路徑。

WAAM從粗放型沉積走向精益數(shù)字制造，很顯然，混合技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。

三個(gè)技術(shù)趨勢(shì)值得關(guān)注：

1. 系統(tǒng)集成商的價(jià)值凸顯

單一WAAM設(shè)備的技術(shù)壁壘在降低，但"電弧沉積+在線檢測(cè)+機(jī)械后處理+熱處理"的一體化方案需要跨學(xué)科整合能力。

西門子收購(gòu)Material Solutions、通快并購(gòu)GEFERTEC，背后邏輯都是補(bǔ)齊系統(tǒng)集成能力。

2. 多機(jī)器人協(xié)同系統(tǒng)成為新賽道

圖21右上角的多機(jī)器人同步沉積，能將大型框架制造周期從月縮短到周。

技術(shù)難點(diǎn)在路徑規(guī)劃和碰撞避障算法，這恰恰是軟件公司的機(jī)會(huì)。

美國(guó)的Rapid Robotics、德國(guó)的Arevo已經(jīng)推出商用方案，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)空間巨大。

3. 維修再制造打開差異化市場(chǎng)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)、海工裝備補(bǔ)焊、模具修復(fù)，這些場(chǎng)景對(duì)WAAM的"快速、便攜、低成本"特性需求強(qiáng)烈，對(duì)表面質(zhì)量要求相對(duì)寬松。

法國(guó)的BeAM、英國(guó)的WAAM3D都在這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)獲得穩(wěn)定訂單。

我們認(rèn)為，WAAM技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程，是典型的馬拉松式創(chuàng)新，需要持續(xù)的工程優(yōu)化和系統(tǒng)集成。

從綜述能明顯感受到，從工藝參數(shù)精細(xì)化，到混合制造技術(shù)成熟，再到AI和數(shù)字孿生賦能，每個(gè)環(huán)節(jié)的進(jìn)步都在累積，也必須累積才能解決電弧增材的一些短板。

德里理工這篇綜述的價(jià)值，在于用36頁(yè)的系統(tǒng)梳理，為從業(yè)者提供了完整的技術(shù)圖譜和發(fā)展脈絡(luò)。

有很多圖片值得收藏，我們都高亮標(biāo)注了。

技術(shù)的成熟度曲線上，相比LPBF，WAAM或許還在爬坡期，但混合制造技術(shù)的快速進(jìn)展，正在縮短這個(gè)周期。

當(dāng)數(shù)字孿生、AI調(diào)控、標(biāo)準(zhǔn)體系三者閉環(huán)，我們相信WAAM的工業(yè)化臨界點(diǎn)會(huì)到來(lái)的更早。

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