《Machines》：Cold Metal Transfer-Based Wire Arc Additive Manufacturing of Al–Si Alloys: Technology Principles, Process Control, Material Behaviour and Defect Formation
Gabriela Rodríguez-García,
Jorge Salguero,
Moisés Batista,
Leandro González-Rovira and
Irene Del Sol
编辑推荐：
本期推荐聚焦冷金属过渡（CMT）电弧增材制造（WAAM）在铝硅（Al–Si）合金中的应用，系统梳理工艺原理、参数调控及微观组织演变规律，揭示热输入时空分布对几何稳定性、孔隙率与力学性能的影响机制，为航空航天等领域大型铝合金构件的高性能制备提供理论支撑与技术参考。
基于冷金属过渡技术的铝硅合金电弧增材制造研究进展
引言
增材制造技术凭借其制备复杂三维构件的独特优势，正逐步替代传统加工工艺，在多个工业领域展现出广阔应用前景。在金属增材制造体系中，粉末床熔融（PBF）技术虽可实现高精度成形，但沉积速率低、粉末成本高且后处理工序复杂。相比之下，丝材电弧增材制造（WAAM）以电弧为热源、金属丝材为原材料，虽尺寸精度略低，却能以显著更高的沉积速率制备大尺寸金属构件，且设备与耗材成本更低、设计灵活性强、后处理需求少，在航空航天、船舶、汽车、能源及国防等对大尺寸复杂金属构件有迫切需求的领域备受关注。
铝及其合金因低密度、高比强度及优异耐腐蚀性成为WAAM的重要研究对象，但其高热导率、高热膨胀系数及表面易形成稳定氧化膜的特性，导致电弧稳定性差，熔池凝固过程复杂，易产生孔隙、残余应力、裂纹及几何畸变等缺陷。在众多铝合金体系中，Al–Si系合金因硅元素的加入显著缩小凝固区间，降低液相粘度与凝固收缩率，减少晶间液膜形成倾向，从而大幅降低凝固开裂敏感性，成为WAAM领域研究最为深入的合金体系之一，其中ER4043（Al–Si5）和ER4047（Al–Si12）等商用焊丝已被广泛应用于工艺探索。然而，现有综述多聚焦于WAAM或CMT技术的整体概述，针对Al–Si合金在不同CMT电弧模式下的行为特性尚未形成系统性分析。本综述旨在系统梳理CMT基WAAM制备Al–Si合金的研究进展，重点阐释工艺原理、参数调控、微观组织演变、缺陷形成机制及力学性能特征，为该技术的工业化应用提供理论参考。
WAAM技术：工艺原理、技术演进与现存挑战
WAAM属于定向能量沉积（DED）技术分支，其核心是通过电弧热熔化金属丝材，按预设路径逐层堆积形成构件。该技术起源于20世纪初的电弧堆焊尝试，1925年Baker提出的通过电弧控制沉积金属制备装饰品的专利，奠定了现代WAAM的技术基础。经过焊接设备、过程控制与运动系统的持续革新，WAAM已从实验性概念发展为成熟的工业技术，既可用于新构件制造，也能实现受损部件的修复再制造。
当前WAAM研究主要围绕两大方向展开：一是工艺规划与控制，二是材料科学。核心目标在于提升过程稳定性、抑制典型缺陷、获得与传统制造工艺相媲美的力学性能。从材料科学角度，研发专用于WAAM的定制化合金也是重要研究方向。尽管潜力巨大，WAAM涉及复杂的传热、传质与冶金反应，确保构件最终质量仍面临诸多挑战。
近年研究趋势正向提升过程鲁棒性、重复性与工业可靠性方向发展。先进过程优化、原位增强技术及多传感器实时监控系统（包括热场追踪与几何形貌监测）被广泛应用以提升沉积稳定性。有限元模拟可有效预测温度场、残余应力与变形，降低实验成本；机器学习与人工智能驱动的数据分析方法则被用于缺陷预测与参数优化，结合数字孪生技术实现过程监控与控制的智能化升级，但这些技术在工业场景的应用仍处于起步阶段。
阻碍WAAM大规模工业应用的关键挑战包括：孔隙、未熔合、裂纹及表面不规则等缺陷的形成，这些缺陷受工艺参数与循环热历史的显著影响；高累积热量导致的残余应力、收缩与畸变，损害尺寸精度与结构完整性；多层沉积中的热积累与反复加热造成非均匀热历史，加剧过程不稳定性；以及凝固组织的各向异性导致的力学性能方向依赖性。
现有研究缺口主要体现在：缺乏能在工业环境下确保稳定沉积的集成实时控制系统；监控技术与闭环控制的融合不足；模拟工具与数据驱动模型在精度、计算成本及跨材料跨工艺普适性上存在局限；缺乏可靠的多物理场模型精确捕捉热力-冶金耦合现象；基于人工智能的自适应控制策略尚处开发阶段；混合制造（WAAM与减材加工结合）与先进后处理技术的应用仍需深入；此外，针对WAAM构件的标准化认证流程缺失，尤其是在安全关键领域的应用推广受到制约。因此，构建融合监控、建模与控制的统一鲁棒工艺框架，是实现实验室成果向工业部署转化的关键。
在电弧焊接技术选择上，熔化极气体保护焊（GMAW）因沉积速率高、工艺灵活性强成为WAAM的主流选择。非熔化极钨极氩弧焊（GTAW）与等离子弧焊（PAW）虽电弧稳定性与热输入控制更优，但沉积速率较低。GMAW包含短路过渡、滴状过渡、射流过渡与脉冲射流过渡四种熔滴过渡模式，直接影响过程稳定性与焊道质量。而冷金属过渡（CMT）作为GMAW的改进型，因其在热输入控制与熔滴过渡稳定性上的独特优势，在WAAM领域获得了广泛应用。
基于冷金属过渡的WAAM技术
CMT是由奥地利Fronius公司开发的先进GMAW衍生技术，其核心特征是相比传统GMAW显著降低的热输入，被誉为“冷”金属过渡工艺，特别适用于铝、镁等热敏感材料的增材制造。该过程通过精确控制短路与电弧重燃的周期性循环实现稳定沉积：焊丝恒速送进直至接触基板发生短路，此时电流被主动调节至极低水平，同时焊丝回抽促使熔滴脱离进入熔池，随后电弧重燃开始下一个循环。这种机械与电气事件的同步控制，使得CMT能在极低的热输入下实现无飞溅焊接。
标准CMT存在一个明确的过程窗口：电流电压过高会导致短路过渡消失，转为纯电弧过渡；过低则无法维持稳定电弧。为拓展应用范围，多种CMT电弧模式变体被开发出来。CMT脉冲（CMT-P）模式在CMT周期中引入脉冲电弧相位，交替进行短路过渡与脉冲射滴过渡，在保持较低平均热输入的同时提升了沉积速率与制造速度。CMT先进模式（CMT-ADV）通过极性调制优化热输入与沉积率：短路阶段采用负极性（电极负极，EN），电弧包裹焊丝促进大熔滴形成；正极性（电极正极，EP）阶段则增加母材热输入并清洁氧化膜，这对铝合金焊接至关重要。CMT脉冲先进模式（CMT-PADV）结合了极性切换与脉冲电弧的优势，在负极性阶段执行CMT周期，正极性阶段施加脉冲电弧，实现了高沉积率与可控能量输入的平衡。CMT双丝模式（CMT Twin）采用两根焊丝共同作用于同一熔池，可进一步提升沉积率或通过不同填充材料组合实现原位合金化。此外，CMT Additive Pro是专为WAAM优化的技术方案，通过预定义过程曲线稳定层形成，集成沉积率稳定、接触嘴到工件距离（CTWD）实时测量与功率自动校正功能，提升了工业环境下的过程可靠性。
不同CMT模式的性能差异主要体现在热输入、沉积率、电弧稳定性、沉积质量与孔隙率控制等方面。标准CMT因受控的短路过渡与精确的焊丝运动，有效热输入最低，电弧稳定性好，限制了热积累，减少了飞溅与熔池湍流，有利于气体逸出，从而降低孔隙率。CMT-P因引入脉冲高能量区间，热输入与沉积率更高，周期性能量波动可能增强熔池对流，促进气泡合并与逸出，但需严格控制以避免延长凝固时间诱发缺陷。CMT-ADV与CMT-PADV通过极性调制与相位交替，实现了更精确的能量分配，在保持高沉积率的同时优化了热管理与凝固行为，进一步降低了缺陷形成倾向。总体而言，各模式性能差异源于其对能量输送与熔池行为的调控能力，而非孤立的参数值，这决定了热条件、沉积效率与过程稳定性之间的权衡关系。
CMT基WAAM的过程参数可分为通用WAAM参数与CMT特定调整参数两类。通用参数包括电流电压、极性、焊枪行走速度（TS）、送丝速度（WFS）、接触嘴到工件距离（CTWD）、喷嘴高度（SOD）、干伸长（Stick-Out）、保护气体、沉积策略、层间时间与层间温度、焊枪角度与工件 orientation 等。其中，电流与电压共同决定热输入，传统热输入计算公式为 H=ηTSUI（η为效率，U为电压，I为电流，TS为行走速度），但该公式基于平均电参数，无法反映CMT周期的瞬态变化。更准确的计算需对瞬时电功率积分：H=TS1∫t1t2t2?t1UiIidt，其中 Ui、Ii为瞬时电压电流。极性设置方面，直流反接（EP）时60%热量集中于焊丝，熔深浅、熔宽大，利于氧化膜清理；直流正接（EN）时热量集中于工件，熔深深、熔宽窄；交流（AC）则结合了两者优势。TS控制单位长度热输入，过高导致熔合不良与润湿角减小，过低引起热积累与基板烧穿，多层沉积中还需配合层间温度控制。WFS决定材料供给量，在协同式焊接系统中，WFS直接关联电流电压，需与TS匹配以维持合适的热输入比例。几何距离参数（CTWD、SOD、Stick-Out）影响电弧电压与稳定性，Stick-Out还通过电阻热效应改变焊丝熔化行为。保护气体（通常为氩气，添加少量活性气体）保障熔池免受污染，稳定电弧并调控熔池形貌。沉积策略（锯齿形、轮廓、光栅单向/双向及混合策略）影响温度分布与冷却行为，进而调控缺陷形成与微观组织。层间时间通过控制冷却程度影响层间温度，避免热积累导致的组织不均匀。焊枪角度与工件 orientation 改变热输入分布与熔池稳定性，通常保持焊枪垂直于生长方向以减少重力影响。
CMT特定参数则用于精细调控电弧行为与热输入：弧长校正通过改变电压调整弧长，负值缩短弧长降低热输入，正值延长弧长增加热输入，在CMT-P中影响脉冲相位，在CMT-ADV/PADV中影响正极性相位。脉冲校正（仅CMT-P）调节脉冲能量与持续时间，负值降低单脉冲能量，正值增加能量，影响熔滴脱落行为。脉冲平衡（仅CMT-P）调整CMT周期之间的脉冲周期数量，正值增加脉冲数提高热输入，负值减少脉冲数降低热输入。EP:EN平衡（CMT-ADV/PADV）调控正负极性周期的比例，增加EP比例提升热输入，在CMT-PADV中还影响正极性阶段的脉冲周期数，对电弧与熔滴过渡稳定性至关重要。电弧力动态校正调节短路电流水平与持续时间，影响电弧重燃能量，负值增大短路电流峰值增强重燃冲击力，正值减小电流实现平缓重燃。
铝合金WAAM：合金选择、缺陷与工艺挑战
铝合金WAAM中，商用焊丝的可获得性是重要限制因素。1xxx系列（商业纯铝）因强度太低极少用于WAAM。2xxx系列（如2319、2219、2024）在适当工艺控制下可获得满意结果。4xxx系列（Al–Si）是研究最广泛的体系，ER4043与ER4047因良好的流动性与焊接性被广泛用作填充材料。5xxx系列（如5087、5183、5356）沉积行为良好，研究日益增多。6xxx与7xxx系列则因熔池不稳定与高裂纹敏感性，应用受限。当前趋势是开发专为WAAM设计的铝合金焊丝，以克服传统焊接耗材的局限性。
铝合金WAAM的典型缺陷包括各向异性、残余应力与畸变、裂纹与分层、孔隙等。各向异性源于多层沉积的热积累导致的微观组织梯度：上层靠近后续沉积起始点，热梯度高，形成沿沉积方向的柱状晶；下层位于部分重熔区与先前固态层界面，热梯度低，形成等轴晶；顶部近表面区域因空气冷却快也可能形成等轴晶，这种周期性组织交替导致力学性能的方向依赖性。残余应力与畸变由反复热循环引起的非均匀膨胀收缩产生，铝合金高热膨胀系数加剧了这一问题，约束条件下的收缩导致内应力，超过屈服强度时引发永久变形（翘曲），影响尺寸精度与疲劳性能。裂纹主要为凝固裂纹，源于宽凝固区间与柱状晶生长导致的晶间液膜无法补充收缩应力，此外晶界脆性相（氧化物、金属间化合物）与残余应力也会诱发裂纹。分层则是层间熔合不良导致的界面分离，通常与热输入不足或表面污染有关。
孔隙是铝合金WAAM最频发的缺陷，严重影响致密度与力学性能。其形成机制包括：凝固收缩导致的缩孔，与铝的高热收缩率（~23 μm/m·K）及快速冷却导致的液体补缩不足相关；氢致孔隙，这是最主要机制——氢在液态铝中溶解度极高，而在固态中几乎不溶，凝固过程中氢析出形成气泡，若来不及逸出则被截留；合金元素（Mg、Zn、Li）蒸发产生的气体若无法排出也会形成孔隙；此外，焊丝或基板表面的油脂、水分等污染物分解，以及保护气体卷入，同样是孔隙来源。表3总结了主要缺陷的形成机制与缓解策略，显示缺陷控制需结合参数优化、热管理与材料处理的综合方法。
CMT基WAAM制备Al–Si合金
Al–Si合金中硅含量增加会缩小凝固区间，共晶点约为12.5 wt.% Si（577 °C），降低液相粘度与凝固收缩，从而减少凝固开裂风险。除硅外，镁通过形成Mg2Si实现沉淀强化，钛、硼作为晶粒细化剂抑制柱状晶生长。铸造态Al–Si合金（如AlSi7Mg0.5）的力学性能随工艺不同波动较大：屈服强度约200–280 MPa，抗拉强度约220–350 MPa，延伸率约1–10%。而CMT-WAAM制备的Al–Si合金（~5–10 wt.% Si）性能范围为：屈服强度约62–142 MPa，抗拉强度约98–223 MPa，延伸率约5–28%，其变异源于合金成分、工艺参数、缺陷及测试方向与沉积方向的夹角。
现有研究主要集中在Al–Si5合金的标准CMT工艺，对先进CMT模式的探索较少，难以建立稳定的工艺-组织-性能关系。参数影响研究显示：WFS与TS的组合是决定几何稳定性的关键，恒定TS下增加WFS会提升线能量输入，导致焊道塌陷（侧壁坍塌率可从16%降至3.5%），增加TS则降低热输入，减小焊道宽度，但过高TS（如10 mm/s）会导致润湿性差、表面波纹与几何不均。多层沉积中的热积累会使壁厚逐渐增加、层高降低，可通过随层数增加TS来补偿热输入，稳定壁宽并实现高度线性增长。不同CMT模式的热输入差异显著：CMT-P（185.4 J/mm）> CMT（165.3 J/mm）> CMT-ADV（157.8 J/mm），CMT-ADV可获得最光滑规则的表面。层间温度控制至关重要，超过120 °C会导致过度重熔与几何退化，10 s左右的短暂停顿即可稳定焊道宽度。沉积策略方面，单向策略易导致起弧端材料堆积，往复策略（双向）可重新分布高度差，提升几何均匀性；90°层间旋转策略也可减少局部热积累与材料堆积。倾斜壁制造中，焊枪倾斜策略（直接倾斜焊枪）比燃烧器平移策略（固定焊枪倾斜基板）更稳定，可实现45°倾角壁的成功制备。焊枪角度与层间温度存在交互作用：低热输入条件下，推角（焊枪指向行进方向前方）大于10°会导致断续液滴而非连续焊道；高热输入条件下，拉角（焊枪指向行进方向后方）-10°与0°会因熔池金属向后堆积形成周期性波纹，而10°推角表现出最佳几何稳定性。合金成分方面，近共晶的ER4047（Al–Si12）因凝固区间窄，熔池更长，易出现表面波纹与层间错位。CMT特定参数中，弧长校正与脉冲校正的中性设置可获得最稳定的熔滴过渡与几何规则性；EP:EN比例在CMT-PADV中影响显著，EP:EN≈13:7时沉积几何最稳定，过高比例（≥16:4）会因电弧力增强导致熔池失稳与焊道过宽。此外，层间涂覆TiC纳米颗粒（~4 mg/cm2）可改善熔体润湿性，获得平直侧壁；涂覆La2O3纳米颗粒可诱导适度稳定的电弧偏转，提升熔池流动性与气孔排出效率，但颗粒过大则会恶化几何质量。
微观组织演化受控于热历史与参数调控。典型组织为α-Al固溶体枝晶与沿晶界分布的Al–Si共晶。近基板区域因冷却快形成细等轴晶，上部区域因热积累冷却慢形成粗柱状晶，部分重熔区则呈现混合组织。增加WFS（提升热输入）会降低热梯度，促进晶粒粗化（平均晶粒尺寸从90 μm增至135 μm）；延长层间停顿时间（促进散热）则细化晶粒（从122 μm减至85 μm）；TS对晶粒尺寸影响相对较小。CMT模式显著影响组织形态：CMT-Pulse因脉冲电弧的搅拌与过冷效应，促进等轴晶形成；CMT-ADV因极性切换产生的电磁搅拌，导致枝晶臂断裂与二次形核，获得比CMT与CMT-Pulse更细的组织；CMT Mix Drive（高热输入）则可获得均匀的等轴晶组织。EP:EN比例增加会细化晶粒，降低织构强度，增加大角度晶界比例。沉积策略中，45°层间旋转策略因冷却最快，获得最小平均晶粒尺寸（~9.23 μm）。层间添加TiB2颗粒（~0.5 wt.%）可作为异质形核核心，将平均晶粒尺寸从53.4 μm细化至35 μm；TiC与La2O3纳米颗粒也能通过类似机制细化晶粒并促进等轴晶形成，降低各向异性。
孔隙形成与热输入、凝固行为及参数密切相关。较高热输入可降低孔隙率，归因于熔体粘度降低与Marangoni对流增强，促进气泡逸出。CMT-P因脉冲搅拌作用，孔隙率（0.57%）低于标准CMT（1.29%）；CMT-ADV则因电磁搅拌最强，孔隙率最低（0.36%），CMT-Pulse因高输入与长液相停留时间，孔隙率最高（0.85%）。孔隙分布呈现位置依赖性：近基板区域因初始冷却快，孔隙率高；上部区域因反复加热与氢气析出，孔隙率也可能升高。优化工艺参数（如电流对孔隙影响大于送丝速度）可使双金属壁（ER5356/ER4043）孔隙率低至0.63%，且无明显界面孔隙。层间添加La2O3纳米颗粒可通过改善润湿性与吸附水分，显著降低孔隙率。
力学性能受微观组织、孔隙与各向异性的共同影响。晶粒粗化（高WFS）会降低强度与硬度；长层间停顿（细晶）则提升力学性能。薄壁件各向异性较小（4–5%），厚壁件因层间粗晶区积累，各向异性可达~10%，断裂多始于含孔隙的层间界面。CMT-ADV因组织均匀与Mg含量较高（5.9 wt.% vs CMT-P的5.67 wt.%），力学性能最优且各向异性最低。EP:EN比例增加可提升垂直方向强度，降低各向异性。沉积策略中，45°旋转策略因细晶获得更高强度，但延伸率低于90°策略。T6热处理可通过析出Mg2Si相与球化共晶Si，显著提升强度并消除各向异性；TiB2、TiC与La2O3颗粒增强也能同步提升强度与塑性，降低各向异性。双金属壁（ER5356/ER4043）表现出良好冶金结合，断裂发生于较软的ER4043侧，无明显界面失效。表6汇总了不同工艺条件下的力学性能数据，显示其高度分散性，印证了工艺-组织-性能的复杂耦合关系。
研究缺口与未来展望
当前CMT基WAAM制备Al–Si合金的研究仍存在明显局限：研究集中于ER4043等少数合金，对更广成分范围探索不足；参数空间狭窄，缺乏跨研究的可比性；不同CMT模式间的系统对比缺失，特定参数（弧长校正、脉冲校正、EP:EN平衡）研究孤立且条件有限；热输入定义仍依赖平均值，忽略瞬态分布的影响。
未来研究应聚焦于：拓展Al–Si合金成分范围，开发专用焊丝与功能梯度材料；建立统一的工艺-热历史-组织-性能预测模型；发展实时监控系统与自适应控制策略，提升过程稳定性与重复性；深入研究孔隙、残余应力、畸变与裂纹的形成机制，特别是重熔区与层间区的异质形核行为；建立标准化的力学性能测试与报告协议，涵盖疲劳、磨损等服役性能；探索热处理与变形处理对组织均匀化与性能提升的作用；验证工艺参数从简单壁向复杂三维构件的移植性；结合能耗与效率评估，推动该技术向近净成形与修复领域的工业化应用。
总结
本综述系统梳理了CMT基WAAM制备Al–Si合金的技术原理、工艺控制、材料行为与缺陷形成机制。WAAM凭借高沉积率与低成本成为大尺寸复杂铝合金构件制造的理想选择，而CMT技术通过精确控制热输入与熔滴过渡，显著提升了铝硅合金的成形质量。研究表明，Al–Si合金的工艺稳定性与最终性能并非由单一参数决定，而是受热输入时空分布、CMT模式选择、参数匹配与热管理的共同调控。尽管目前研究已证实其在几何控制、组织细化与力学性能提升方面的潜力，但微观组织各向异性、缺陷敏感性及工艺重复性仍是制约工业化应用的核心瓶颈。未来需通过多尺度建模、实时监控与智能控制、材料设计与后处理优化的协同创新，突破现有技术局限，释放CMT-WAAM在高端装备制造中的全部潜力。
