《Progress in Materials Science》：Process innovations in wire arc additive manufacturing systems: progress, challenges and future opportunities
丝材电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) 已成为制造大型金属构件最具实用性和可扩展性的技术之一。凭借高沉积速率和成本效益优势，WAAM 在航空航天、海洋及其他高价值工业领域的应用日益广泛。基于商用焊接设备和工业机器人构建的传统 WAAM 系统在材料微观组织、力学性能和几何精度控制方面存在局限。随着对成形构件性能要求的不断提高，面向工艺的系统创新已成为关键发展趋势。这些改进通过直接调控电弧行为、送丝过程、温度场和原位变形，实现对熔池动力学和凝固模式更有效调控。多丝送料、电弧-激光复合配置、外部场辅助以及原位热或机械处理等方法已在改善结构均匀性、减少缺陷和提高沉积效率方面取得进展。尽管发展迅速，但独立开发系统的多样性和复杂性导致研究呈现碎片化格局。本综述系统整合这些创新成果，评估其作用机制与有效性，并将其映射至关键研究目标。综述进而对当前研究提供批判性见解，探讨存在问题并展望未来发展，以指导高性能、结构可靠且可工业部署的 WAAM 系统的发展。
**2. 丝材电弧增材制造工艺概述**
本章概述了 WAAM 工艺，首先介绍基准系统配置和工艺流程，进而讨论其面临的关键挑战及近期主要进展方向。
**2.1 基准 WAAM 系统**
基准 WAAM 系统代表丝材电弧增材制造的最基础配置，运行时不配置辅助传感器、外部设备或高级软件增强功能。该系统通常由焊接电源、送丝单元、配备焊枪的机械臂、工作台及执行预设刀具路径的计算机等核心硬件组成。金属零件制造始于目标零件计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD) 模型的创建，随后将其切片为多层，每层转换为刀具路径以引导机械系统定位焊枪。沉积过程中，焊丝由送丝机构连续送入电源产生的电弧中，逐层熔化并沉积至基底或已凝固材料上。机械臂确保沿预定轨迹精确移动焊枪，工作台则作为构建平台。逐层堆叠直至完成整个几何形状，最终获得近净成形构件，通常需通过机加工或热处理等后处理以满足最终尺寸和力学性能要求。
**2.2 典型 WAAM 应用**
得益于高送丝速率、大且连续的热输入以及无需密闭腔室即可在开放环境部署的能力，WAAM 在制造中大型金属构件方面展现出独特优势，具有高沉积效率和相对较低成本。相较于激光粉末沉积工艺常受限于构建包络有限、材料浪费大和系统成本高，WAAM 可实现超过90%的材料利用率、每小时数千克量级的沉积速率，以及米级构件的可扩展性。这些优势使 WAAM 在构件尺寸、结构效率和成本效益为首要考量的领域极具吸引力，其中航空航天、海洋和民用行业为代表性应用领域。在航空航天及航天领域，WAAM 已广泛探索用于制造轻量化承力构件及集成特征结构，代表性应用包括机身加筋板、压力容器和运载火箭结构。海洋工业中，WAAM 应用于制造需要高几何精度和结构完整性的大型结构件，如螺旋桨支架和支撑结构。土木建筑领域，WAAM 已证明可用于制造大型钢结构，其中宏观形状精度和承载能力优先于精细表面光洁度。
**2.3 WAAM 系统的潜在改进方向**
近年来，大量研究工作致力于克服基准 WAAM 系统的固有局限并提升其整体性能。这些增强映射至基准 WAAM 系统的不同部分，主要涵盖以下方面：送料方法与耗材的改进，旨在提高沉积效率和微观组织均匀性；熔化和电弧控制的优化，直接影响热输入、熔池动态和凝固行为；机械处理的应用，通过在沉积过程中或刚沉积后立即施加以细化晶粒、降低残余应力并提高力学性能；热管理策略的关键作用，用于调控微观组织演变和应力发展；以及传感与监测技术的硬件增强，为缺陷检测和自适应控制策略提供实时输入。
**3. 沉积前预处理**
沉积前预处理是在材料沉积前实施的初步干预措施，为 WAAM 建立有利的起始条件。主要包括三个方面：焊材准备，聚焦于焊丝成分、结构和质量的调控；预热工艺，针对焊丝或基底的预热以稳定电弧行为和改善层间结合；以及预处理表面改性，通过加工、清洁或涂层处理以提高润湿性、结合性和几何稳定性。
**3.1 焊材准备**
**3.1.1 层间粉末涂覆**
层间粉末涂覆是一种有效的前沉积策略，通过在已沉积层表面均匀分布金属或陶瓷粉末，在后续沉积过程中实现原位合金化、微观组织细化或表面改性。该技术为实现增强的组织均匀性、改善的晶体取向、控制的织构强度以及更一致的力学性能提供了实用途径。研究表明，TiC 颗粒、La?O?粉末及高熵合金(High Entropy Alloy, HEA)颗粒的介入均可有效调控微观组织演化、细化晶粒形貌并增强沉积稳定性。
**3.1.2 药芯焊丝**
药芯焊丝是 WAAM 中的一项焊材创新，将合金元素、非金属增强相或造渣剂以粉末或颗粒形式封装于金属外皮内，形成复合焊丝结构。与实心焊丝相比，药芯焊丝允许通过焊丝本身直接可控地向熔池引入功能颗粒，无需依赖外部粉末输送系统。典型结构由铝基、铁基或镍基合金外皮包覆中心填充的合金粉末、陶瓷颗粒或造渣剂组成。近期研究证实了药芯焊丝在调控微观组织和增强材料性能方面的有效性，包括实现双相不锈钢的柱状晶-等轴晶转变(Columnar-to-Equiaxed Transition, CET)，以及制备中熵合金等。
**3.1.3 绞股焊丝**
绞股焊丝电弧增材制造是 WAAM 中的一项新兴进展，通过送送由不同金属丝绞合而成的 bundled 金属丝束，实现原位制造多相或复合结构。自2020年以来，该策略仅在少数研究中得到探索，包括利用多股焊丝等离子弧增材制造(Plasma Arc Additive Manufacturing, PAAM)制备双相不锈钢，以及开发多组分绞股焊丝制造功能梯度材料(Functionally Graded Materials, FGM)的方法。
**3.1.4 固态复合焊丝**
固态复合焊丝通过固态剧烈塑性变形将增强颗粒机械嵌入并均匀分散于金属基体中，随后经挤压和拉拔形成致密实心焊丝。典型工艺包括累积叠轧(Accumulative Roll Bonding, ARB)和金属螺杆挤出(Metal Screw Extrusion, MSE)等。现有研究表明该策略可有效促进微观组织细化和弥散强化驱动的性能提升，但维持低孔隙率和一致颗粒分布、控制熔池中颗粒稳定性及界面反应等挑战仍需解决。
**3.2 预热工艺**
预热是 WAAM 中改善热管理的重要辅助策略，有助于缓解过度热梯度、层间融合不良、残余应力累积和开裂敏感性等问题。预热工艺根据加热目标可分为两类：热丝预热和基底预热。热丝预热通过电阻加热、感应线圈或辅助电弧提升焊丝温度，可降低熔化焊丝所需能量，实现更稳定的电弧、更低的飞溅率和更高的沉积效率，同时有效解决氢致孔隙问题。基底预热通过电阻加热板、感应线圈、红外灯或激光系统提升基板或已沉积层温度，主要目标是降低热梯度、抑制残余应力、防止冷裂纹并增强层间冶金结合，特别适用于难焊或异种金属体系。
**3.3 预处理表面改性**
预处理机加工是指在 WAAM 前对基底进行有意的形状加工、结构化或表面调理，以改善界面结合、几何稳定性和整体构建质量。主要包括**铣削处理**和**激光辅助处理**两类方法。铣削处理通过增材-减材混合制造策略交替进行沉积与铣削，产生平坦、均匀的表面，减少侧壁轮廓波动，去除表层孔隙和粗晶，从而增强层间结合并防止空洞形成。激光辅助处理则主要用于减少异种材料间的热失配、确保结合区机械完整性，以及最小化沉积过程中累积的表面不规则性，在双金属或功能梯度结构制造中具有重要价值。
**4. 原位沉积过程**
本章综述直接作用于熔池或完全凝固前阶段的沉积过程增强方法，包括金属材料送入方式、原位机械辅助金属成形、电弧相关增强、外部磁场辅助熔池控制、激光辅助熔化方法、结构级处理以及主动冷却系统。
**4.1 金属材料送入方式**
**4.1.1 单丝送进法**
单丝送进法是 WAAM 中最基础和广泛应用的送料策略，可分为两类：焊丝作电极系统（通常为熔化极气体保护焊(Gas Metal Arc Welding, GMAW)基 WAAM，包括 MIG/MAG 及其变体），以及胸钨电极系统（通常为钨极惰性气体保护焊(Gas Tungsten Arc Welding, GTAW)和等离子弧焊(Plasma Arc Welding, PAW)基 WAAM）。前者由于焊丝同时作为填充材料和载流电极，可实现高送丝速率和高沉积通量；后者将电弧稳定性与送丝解耦，可提供更精细的热输入控制和更好的表面质量。
**4.1.2 多丝送进法**
多丝送进法通过同时送入多根焊丝至熔池，可产生更稳定和定制的熔池、改善热管理并提高材料沉积通量。该技术显著扩展了合金设计和微观组织调控的灵活性，特别适用于多材料构件制造、功能梯度材料制备、沉积效率提升以及原位金属间化合物(Intermetallic Compounds, IMCs)的形成控制。
**4.1.3 丝-粉混合送进法**
丝-粉混合送进法结合丝材和粉末两种进料形式的优势，在熔池中实现成分控制和原位合金化。粉末可为陶瓷、金属间化合物或元素粉末，通过同轴、侧向喷嘴或重力驱动等方式引入。相比多丝送进，该方法在纳入非金属或细颗粒相方面具有更大自由度，特别适用于金属基复合材料、原位金属间化合物和梯度功能结构的制造。
**4.1.4 焊丝振荡送进策略**
焊丝振荡送进通过低频振荡送丝器对熔池和金属过渡过程施加额外机械扰动，增强熔滴脱离率、改善材料流动和熔池铺展，从而实现加速沉积、改善熔池稳定性和更优的焊缝几何控制。
**4.2 原位机械辅助金属成形**
原位机械辅助金属成形策略包括热轧、锤击和和热锻，在熔池后方立即施加于仍处于高温状态的沉积层，促进孔隙闭合、晶粒细化和应力再分布。
**4.2.1 热轧**
热轧在熔池后方立即对半固态或高温状态的沉积道次施加可控压缩载荷，压实孔隙和偏析通道、改善层间结合、通过再结晶和位错重排细化晶粒，并平整焊道轮廓以增强表面均匀性。
**4.2.2 原位锤击**
原位锤击将锤击工具定位于熔池后方，在沉积层仍处于半固态或高温状态时施加重复局部冲击，诱导塑性变形和压缩应力，压实孔隙、改善焊道形状稳定性并通过动态再结晶和位错重排细化微观组织。
**4.2.3 热锻**
原位热锻是通过往复锤头在沉积后立即施加局部冲击，在材料处于高温粘塑性状态时使其产生大塑性变形。与锤击不同，热锻诱导更大塑性变形，更接近热加工过程。该方法促进动态再结晶、加速位错增殖并增强晶界迁移，同时改善几何精度和表面质量。
**4.3 电弧相关增强**
**4.3.1 电弧振荡**
电弧振荡通过周期性偏转或移动焊接电弧以重新分布热输入和电弧压力，扩大作用区域、增强熔池搅拌并改善侧壁熔合，促进更均匀的微观组织并减少冶金缺陷。
**4.3.2 电弧收缩**
电弧收缩通过压缩焊接电弧改变其形状、尺寸和能量分布，显著降低热输入同时提高电弧能量密度和稳定性，改善金属过渡行为、层形貌控制和表面光洁度。
**4.3.3 双电弧**
双电弧放大熔化法采用单个焊枪内两个电气绝缘的电极产生双电弧熔化焊丝，通过分散总热输入降低组合电弧压力，抑制驼峰、咬边等成形缺陷，支持更高的沉积电流和速率。
**4.4 外部磁场辅助熔池控制**
外部磁场辅助通过洛伦兹力偏转电弧、改变熔滴轨迹和调制熔池流动模式，实现更均匀的热分布、改善的熔滴稳定性和增强的熔池对流。常用配置包括外部横向磁场和外部纵向磁场，静态磁场提供稳定的电弧和熔池行为控制，振荡磁场则周期性搅动熔池。
**4.5 激光辅助熔化法**
激光辅助熔化法（亦称激光-电弧复合增材制造, Laser-Arc Hybrid Additive Manufacturing, LHAM) 将激光束与电弧结合以增强能量耦合和控制熔池行为。激光照射产生金属蒸气，通过逆韧致辐射效应增加激光能量在电弧等离子体中的吸收，提高电子密度和电弧电导率，从而改善电弧稳定性和减少飞溅。
**4.6 结构级处理**
**4.6.1 系统振动**
系统振动通过向 WAAM 系统引入机械振动（通常为超声振动）影响熔池行为、微观组织演变和缺陷形成。振动可通过基底平台传递，或直接通过插入熔池的超声探针实现，产生空化和声流效应以增强熔池对流和凝固动力学。
**4.6.2 局部保护**
局部保护使用辅助保护装置增强对熔池及其邻近区域的保护，建立稳定的惰性气体环境以防止氧、氮或氢进入熔池，减少氧化、孔隙和污染相关缺陷。
**4.7 主动冷却系统**
主动冷却系统通过实时调控沉积层和基底温度来应对连续热输入导致的热积累、不稳定层间温度和大热梯度问题。常见方法包括气体冷却（压缩空气或 CO?)、水基冷却和低温冷却（气化氩或液氮）。
**5. 层间操作**
本章综述熔池完全凝固后实施的层间干预策略，包括层间机械辅助金属成形、超声冲击处理、层间冷却系统和激光辅助方法。
**5.1 层间机械辅助金属成形**
**5.1.1 冷轧**
层间冷轧在完全凝固的层间施加，与原位热轧的根本区别在于机械载荷施加于已冷却凝固的焊道而非半固态阶段。通过周期性压缩构建体，减少孔隙、改善层间结合并通过后续热循环中的应变诱导再结晶细化晶粒。
**5.1.2 层间锤击**
层间锤击在熔池完全凝固后对先前沉积层施加可控冲击，与原位锤击相比材料更冷更强，通常需要更高冲击能量或停留时间。其产生的塑性变形区域在后续热循环中部分再结晶，实现晶粒细化和织构弱化。
**5.1.3 摩擦搅拌**
摩擦搅拌处理(Friction Stir Processing, FSP) 在沉积层完全凝固后、下一层沉积前进行，利用旋转肩工具产生摩擦热和剧烈塑性变形，打断柱状晶、破碎偏析带和未熔合缺陷，促进动态再结晶形成细晶等轴组织。
**5.1.4 层间激光冲击强化**
层间激光冲击强化(Interlayer Laser Shock Peening, IL-LSP) 是一种新兴的层间机械增强技术，通过高能短脉宽激光脉冲在层间界面处产生高幅值冲击波，引入压缩残余应力和局部塑性变形，与 WAAM 内在热循环相互作用，调控残余应力演变、熔池动态和微观组织发展。
**5.2 层间冷却系统**
与原位冷却不同，层间冷却在道次间停留期间施加，将沉积焊道驱动至预设层间温度后再开始下一道次。主要依靠气体喷射（压缩空气或 CO?)实现，闭环系统集成高温计或红外相机执行层间温度设定点，开环方案则依赖根据零件厚度和合金类型调整的定时脉冲。
**5.3 超声冲击处理**
超声冲击处理(Ultrasonic Impact Treatment, UIT) 利用高频超声振动对金属表面产生重复冲击，生成塑性变形、位错增殖和压缩残余应力。典型 UIT 系统由超声换能器、冲击针和控制器组成，可破碎粗大柱状晶为细晶等轴结构，促进再结晶，形成压缩残余应力层。
**5.4 激光辅助复杂几何制造**
激光辅助复杂几何制造结合激光增材制造（如选择性激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)、激光粉末床熔融(L-PBF) 和激光熔化沉积)的精度优势与 WAAM 的效率优势，实现大规模效率与精细结构精度的结合。
**6. 研究目标分析**
本章从研究目标角度分析所有面向工艺的 WAAM 系统硬件增强，按微观组织控制、力学性能优化、使用性能强化、结构完整性增强、几何精度改善和沉积效率提升等目标进行系统综合。
**6.1 材料微观组织控制**
研究日益强调控制微观组织演变以实现强度、塑性和各向同性的理想组合。主要控制方向包括：枝晶控制、柱状晶-等轴晶转变调控、织构工程、相均匀化和弥散控制、碳化物/硼化物和金属间化合物相管理，以及晶粒形貌调整。
**6.2 力学性能优化**
力学性能优化主要聚焦于：抗拉强度和屈服强度（与晶粒细化和析出强化密切相关）、塑性（对孔隙率、残余应力和晶粒形貌高度敏感）、断裂韧性和冲击抗力（通过减少脆性相和均匀化微观组织改善），以及高温性能（对航空航天和能源应用日益重要）。
**6.3 使用性能强化**
使用性能强化主要涵盖：疲劳性能（对表面缺陷、孔隙率和微观组织各向异性高度敏感）、硬度和耐磨性（主要由碳化物和硼化物的可控析出驱动），以及耐腐蚀性能（取决于稳定钝化膜的形成能力和表面完整性）。
**6.4 结构完整性增强**
结构完整性取决于残余应力控制、裂纹和孔隙抑制、偏析及脆性金属间化合物限制，以及层间结合强化。预处理、层间/原位表面处理、定制材料送入和电弧工程、热机械作用等通过耦合的热-流-冶金路径稳定熔体、缓和热梯度并致密化沉积体。
**6.5 几何精度改善**
几何精度涵盖焊道形状、层间高度均匀性和形貌、表面波纹度和粗糙度，以及全局变形/翘曲。改善策略包括：通过基底预热设置有利热基线、通过双电弧/振荡/收缩塑造熔池、通过层间铣削或 TIG 重熔重置层形貌，以及通过辅助场或层间冷却稳定传输。
**6.6 沉积效率提升**
沉积效率提升可通过两个主要途径实现：一是提高单位时间生产性沉积输出（多丝/丝-粉送进、先进能量输入配置、熔化优化、多机器人协调并行沉积）；二是减少非生产时间和后续工作量（加速层间冷却、热信息路径规划、减少支撑和返工的多轴沉积策略）。
**6.7 其他目标**
其他探索方向包括多电弧协同 WAAM 系统、机器人化旁路双电极 GMAW 以及局部干式水下 WAAM 等特殊应用场景。
**7. 当前研究的批判性见解**
本章对当前面向工艺的 WAAM 系统增强研究提供批判性见解，包括底层物理机制分析、增量改进与变革性能力的区分、工业部署性评估，以及系统复杂性增加的隐性权衡。
**7.1 系统增强的底层物理机制**
尽管 WAAM 系统架构和工艺配置多样，但性能改进主要 governed by 有限的可转移物理机制：热场调控（重新分布电弧热通量、减少热积累、稳定层间温度）、机械处理（可控塑性变形引入以致密化沉积体、改变残余应力演变、触发应变辅助再结晶）和电磁操纵（调控电弧/等离子体行为、熔滴轨迹和熔池受力）。
**7.2 变革性改进**
与增量改进不同，变革性改进为 WAAM 引入全新制造能力或功能维度，主要体现在两个方向：原位多材料合金化（药芯焊丝、多丝送进、丝-粉混合送进实现的成分和功能可编程制造）和几何可打印性增强（层铣削、热锻等嵌入成形操作实现的沉积-成形一体化）。
**7.3 工业部署性**
按当前部署准备程度可分为： readily deployable（药芯焊丝、绞股焊丝、焊丝振荡、预热、电弧振荡/收缩/双电弧/激光辅助/磁场辅助、主动/层间冷却）、deployable with constraints（粉末涉及策略、混合工艺路线、多丝送进、热-机械增强策略、局部保护）和 requiring further refinement（原位热锻、系统振动、先进层间处理）。
**7.4 先进系统设计的隐性权衡**
性能改进常伴随隐性权衡，包括成本攀升（初始投资、调试、运营维护）、系统复杂性增加（多通道同步、耦合控制参数增加导致对扰动更敏感）和维护需求增长（磨损部件、光学系统、流体/气体回路）。
**8. 当前问题讨论**
主要局限包括：有限的可转移性（平台差异、构件尺寸缩放、合金敏感性）、微观组织演变机制不清和定量模型缺乏（重经验轻机制、难以建立可靠的定量建模框架）、精确反馈控制缺失（开环操作、多学科整合不足），以及多工艺耦合中的冲突（协同或拮抗效应缺乏系统定量分析）。
**9. 未来研究机遇**
**9.1 向智能 WAAM 系统转型**
包括数据驱动建模（建立工艺变量与微观组织/力学性能的预测关系）、物理信息建模（嵌入热传导、流体流动、凝固行为等物理原理以提高可解释性和外推能力），以及数字孪生（实时跟踪工艺演化、预测变化状态、支持自适应调整）。
**9.2 工艺-组织-性能关联的标准化研究**
需要建立统一、定量一致和标准化的研究方法，包括统一的构建几何定义、参数范围、原位监测条件，以及标准化的样品制备、力学测试和环境暴露程序，进而支持多工艺耦合效应的定量评估和大型元分析。
**9.3 工业应用与极端条件部署**
面向工业应用需聚焦增强系统的小型化和简化，同时保持工艺稳定性和材料性能。极端条件应用（深海、极地、外星建设）则要求重新工程设计熔滴转移、电弧行为和散热，优先考虑抗辐射、抗热震和抗氧化稳定性材料，并发展自诊断、可重构架构和远程维护策略。
