综述：电弧增材制造中的热源及其对宏观-微观结构特性和力学性能的影响——概述

这篇综述系统探讨了电弧增材制造（WAAM）中不同热源（如GTAW、GMAW、CMT、PAW）对材料沉积过程的影响，重点分析了热输入与宏观/微观结构、力学性能的关联机制，为优化工艺参数（如电流、电压、送丝速度）提供了理论依据，并展望了智能材料（如形状记忆合金SMAs）和混合制造技术的应用前景。

　　

电弧增材制造技术概述

电弧增材制造（WAAM）通过逐层堆叠金属丝材，结合电弧热源（如GTAW、GMAW）实现高效成型，兼具低成本和高沉积速率（15–130 g/min）的优势。其核心工艺包括过程规划、金属沉积和后处理，适用于航空航天、汽车等领域复杂构件的快速制造。

热源类型与工艺特性

不同电弧热源显著影响成型质量：

• GTAW：非消耗性钨极电弧，沉积速率1–2 kg/h，需精确控制送丝角度（10°–20°）以稳定熔滴过渡。
• GMAW：消耗性电极，沉积速率3–4 kg/h，但电弧稳定性较差。
• CMT：冷金属过渡技术，低热输入（2–4 kg/h），可实现无飞溅成型，尤其适合铝镁合金（如ER5356）。
• PAW：等离子弧能量密度高（100,000–1,000,000 W/mm²），适用于高熔点材料如钛合金。

热输入的三重影响

1. 宏观结构：高热输入导致熔池溢出和塌陷，而低热输入（如CMT模式）可提升表面平整度。例如，Al–Cu–Sn合金在双丝工艺中宽度-高度比优化至1:1.5。
2. 微观组织：热输入通过冷却速率调控晶粒形态。GMAW沉积的IN 718合金呈现枝晶结构，而CMT处理的Al–7Si-0.6Mg合金中α-Al枝晶尺寸随热输入增加而粗化。
3. 力学性能：低碳钢（如ER70S-6）在低热输入下抗拉强度达446 MPa，延伸率53.6%，而高热输入易引发孔隙（如脉冲GMAW的5183铝合金孔隙率增加15%）。

混合制造与缺陷控制

• WAAM+轧制：使Inconel 718的柱状晶转化为16.4 μm等轴晶，各向异性系数降低57%。
• 激光冲击强化：将Al-2319合金残余应力由拉应力转为压应力，晶粒尺寸从59.7 μm细化至46.7 μm。
• 缺陷防控：氢致孔隙（如Al合金）可通过氩气保护减少，而层间未熔合需优化热输入（推荐0.7–2.1 kJ/mm）。

智能材料与未来挑战

形状记忆合金（如NiTi）通过WAAM沉积时，需解决成分偏析（如Ni₄Ti₃析出）和功能性能衰减问题。未来需结合人工智能（如CNN实时监测熔池）和数字化孪生技术，推动WAAM在生物医疗（如骨科植入物）和能源装备中的应用。

结论

WAAM通过热输入精准调控可实现高性能构件制造，但需进一步解决残余应力、几何精度等瓶颈。多学科交叉（如材料-工艺-模型协同）将是突破方向。