发布日期：2026-2-3 10:49:29
序言
随着太空活动的日益拓展，在轨制造技术已成为突破航天器运载限制和物资补给瓶颈的关键途径。发展在轨制造技术，能够有效减少对地面补给的依赖，显著提升太空任务的灵活性与自主性[1]。增材制造技术以其依据计算机三维模型直接生成实体物体的独特优势，展现出巨大的应用潜力与变革性影响。金属增材制造逐渐成为其中最具潜力和应用价值的分支，广泛应用于航空航天[2]、医疗[3]、汽车[4]、建筑[5]等诸多领域。
目前，主流的金属增材制造技术包括电弧增材制造、激光增材制造、电子束增材制造等，这些技术凭借高能量密度、高精度、高效率的优势得到了广泛应用[6-9]。然而，它们也存在设备体积庞大、成本高昂等问题，相比之下，焦耳热熔丝增材制造技术以其能量输入较低、设备体积小、成本低等优势，展现出良好的发展前景。当前，针对焦耳热熔丝增材制造技术的研究大多聚焦于单道成形及多层搭接方面，以304不锈钢为试验材料,对单道单层的宏观形貌[10]、显微组织[11]、硬度[12]等特性进行了深入探究，并开展了温度场仿真分析[13]。此外，通过设计正交试验，深入分析了打印电流、成形速度及接触压力等因素对单道多层成形质量的影响[14]。
在实际应用生产中，除了单道成形和多层搭接外，多道搭接过程同样至关重要，其表面质量的优劣将直接影响实际结构件的性能与质量。因此，开展对焦耳热熔丝增材制造多道成形件及其表面质量的研究，对于推动该技术发展具有重要的意义。
近年来，国内外众多学者对金属增材制造表面质量开展了广泛的研究。蔡子豪等人[15]对比了先增材后减材成形与增减材交替成形两种工艺策略改善成形件表面质量方面的应用效果。聂文忠等人[16]基于逆向成形方法，选用最优函数轮廓建立理想模型，研究了电弧增材制造实际成形状况与理想模型的表面质量差异。杨东青等人[17]运用三维扫描技术采集多道表面数据，并采用最小二乘法拟合平面，通过对比拟合平面与实际平面的数据来评价多道表面质量。LI等人[18]开发闭环迭代算法，用于计算最优路径中心距离,提高了电弧增材制造多层多道金属零件的制造精度和表面质量。ALZYOD等人[19]则通过理论建模和试验验证,研究了利用电化学抛光技术提升增材制造316不锈钢旋转零件表面质量的方法。
焦耳热熔丝增材制造过程中,表面质量对电阻影响较大,进一步影响热输入,对成形过程的稳定性极为重要。然而,目前对于表面质量的评估,缺乏量化的表征方法,这可能因主观误差影响焦耳热熔丝增材制造的热稳定性和成形质量。鉴于此,文中基于试验研究,依据最小误差原则,验证单道最优数学模型进行,并进一步构建多道数学模型。通过对比数学模型与三维扫描仪提取的模型之间的偏差,以及提取模型的标准偏差和均方根值，评价表面质量，并进行试验验证。
1、试验方法
1.1试验材料
金属材料的热导率和电阻率对焦耳热熔丝增材制造过程中的产热及热累积效应具有显著影响。常见的金属材料包括不锈钢、钛合金、铝合金与铜合金，其物理性质如表1所示[20]。
表1 304不锈钢与 TC4钛合金物理性质
Table 1 Physical properties of 304 stainless steel and TC4 titanium alloy
| 材料 | 密度 ρ/(g/cm³) | 熔点 Tm/°C | 热导率 λ/(W/(m·K)) | 电阻率 ρ/(Ω·m) |
| 304 | 7.98 | 1400 | 13.31 | 0.74 |
| TC4 | 4.52 | 1662 | 7.955 | 0.56 |
| 1050 | 2.71 | 660 | 237 | 0.028 |
| H62 | 8.96 | 1083 | 401 | 0.017 |
表1中，1050铝合金和H62铜合金因导热率过高且电阻率过低，在焦耳热熔丝增材制造中表现不佳。相较于304不锈钢，TC4钛合金虽具有较高的熔点,但其具备高电阻率、低热导率以及低密度的特性，有利于焦耳热的产生，也可满足太空打印对材料轻量化的需求[21],使TC4钛合金成为该制造工艺中更为理想的金属材料选择。试验选取TC4钛合金作为丝材与基板的材料。丝材直径为0.8mm，基板尺寸为100mm×100mm×4mm。为确保试验效果,在试验前,先采用2000目砂纸对基板进行打磨,去除其表面氧化膜,直至基板表面呈现光亮状态。随后,使用工业酒精并搭配无尘纺布,仔细擦拭丝材与基板,清除砂纸磨粒、细小金属颗粒以及灰尘等杂质,从而避免上述杂质对试验结果造成不良影响。
1.2试验原理与设备
焦耳定律描述了电流通过导体产生热量的定量关系。根据焦耳定律,电流通过导体产生的热量与电流的平方、导体的电阻以及通电时间成正比,其数学表达式为
式中: Q为产生的热量,单位 J; I为电流,单位 A; R为电阻,单位 Ω; t为通电时间,单位s。
焦耳热熔丝增材制造技术的设备与原理图如图1所示。丝材经送丝系统输送至送丝嘴,并在辊轮下方被压紧。通过精确调控机床Z轴的上下移动,控制辊轮对丝材施加的压力,安装于辊轮上方的压力传感器可实时监测并反馈实际压力值。可编程电源的正极连接至辊轮,负极则固定于基板,构成闭合回路:电流从电源正极出发,依次经过辊轮、丝材、基板,最终回到电源负极。当电流通过丝材时,在辊轮与丝材及基板的接触区域产生焦耳热,加热丝材与基板,促使二者实现冶金结合。随着机床的运行,丝材被逐步焊接到基板上，完成成形过程。
焦耳热熔丝增材制造试验设备主要由真空系统、运动系统与电加热系统三部分构成。其中,真空系统配置了TRIVAC D60T(LEYBOLD,科隆,德国)机械泵,可在10min内将真空箱内气压降低至50Pa以下;随后启动TURBOVAC 450i(LEYBOLD,科隆,德国)半磁悬浮分子泵，进一步将气压降至1×10⁻²量级。同时，利用ZDF-III-PRO(成都，中国)高精度真空计对实时监测真空箱内实际真空度。运动系统采用改进型的CNC/M-1(中国淄博仙鹤悦鑫)微型数控铣床,仅保留X、Y、Z三个运动轴,通过Windows开放式计算机控制系统进行操作,机床整体质量为50kg。电加热系统则配备了IT-M3910 D-10-1020(ITECH,中国南京)可编程直流电源,其输出电压范围为10V至1500V,输出直流电流范围为8A至1020A，具备精确控制电流强度及运行时间的能力，且能耗在400W以内。
1.3表面评价方法
为评估焦耳热熔丝增材制造试样的表面质量,文中采用超景深显微镜对试验样件截面形貌进行观察,获取熔宽、余高及截面面积等关键参数,并将其代入数学模型。基于最小误差原则,选取最优数学模型。同时,利用三维扫描仪提取试样表面信息,将数学模型与实际提取模型进行对比。通过分析对比色差图,对试样表面质量进行初步评估[16]。为进一步深入分析表面质量,文中计算了提取模型的标准偏差和均方根值。标准偏差反映试样的光滑程度,均方根值则反映试样与数学模型之间的偏差,这两个参数相结合,能够较为全面地表征焦耳热熔丝增材制造试样的表面质量。
标准偏差S_sd的计算式为
式中: M和N为表面各点的坐标信息; Xij为各点的实际值; X-为各点的均值。
均方根值S_rms的计算式为
表面评价方法主要分为制备试样、数学模型、提取模型、对比分析四步。具体的流程如图2所示。
1.4试验设计
文中采用单因素试验方法,探究电流、成形速度对成形件表面质量及截面轮廓的影响规律。基于前期试验基础[10-14],试验设计如表2所示。电流范围为500∼700A,以50A的步长递增;成形速度范围为600∼1400mm/min,以200mm/min的步长递增。
表2单道单层工艺参数
Table 2 Process parameters of single-pass single-layer
| 试样 | 电流 I/A | 速度 v/(mm/min) |
| A1 | 600 | 600 |
| A2 | 600 | 800 |
| A3 | 600 | 1000 |
| A4 | 600 | 1200 |
| A5 | 600 | 1400 |
| B1 | 500 | 1000 |
| B2 | 550 | 1000 |
| B3 | 600 | 1000 |
| B4 | 650 | 1000 |
| B5 | 700 | 1000 |
2、表面数学模型建立与表面质量评价
2.1单道表面数学模型建立
图3为不同工艺参数下单道单层的宏观形貌及截面形貌。图3(a)的电流固定为600A,速度为600~1400mm/min。随着速度逐渐增大,单位时间内热输入逐渐减小,丝材出现宏观形貌由波浪状起伏到未熔化状态，截面形貌由扁平状到未熔合状态的变化。A1的速度为600mm/min，热输入较大，热量逐渐积累导致丝材过度熔化，出现波浪状起伏，截面形貌呈扁平状。这一现象可归因于真空环境下的冷却特性:由于气体对流几乎不存在，熔池的冷却主要依赖热传导和辐射，导致冷却速度减缓，易产生热积累。A2的速度为800mm/min，热输入仍较大，热量逐渐积累导致丝材过度熔化，出现突起和熔断趋势，其丝材与基板熔合良好。A3的速度为1000mm/min，热输入适中，丝材表面光滑，其丝材与基板熔合良好。A4和A5的速度分别为1200mm/min和1400mm/min，此时热输入过小，丝材未充分熔化，表面凹凸不平，其丝材与基板未产生良好熔合，截面形貌较差。图3(b)的速度固定为1000mm/min，电流为500~700A。随着电流逐渐增大，单位时间内热输入逐渐增大，丝材出现宏观形貌由未熔化状态到波浪状起伏，截面形貌由未熔合状态到扁平状的变化。B1和B2的电流分别为500A和550A，热输入较小，不能充分熔化丝材，丝材表面凹凸不平，丝材与基板未熔合。B3的电流为600A，热输入适中，丝材表面光滑，与基板熔合良好。随着电流增大，B4和B5的电流分别为650A和700A，热输入较大，热积累导致丝材出现波浪状起伏，B5的丝材几乎熔断，截面形貌皆呈扁平状。由此,电流为600A，速度为1000mm/min时，宏观形貌和截面形貌最好。
图4为单道单层截面数学模型示意图,常见的单道单层截面数学模型有[16,22-24]:抛物线型、半周期余弦曲线型、全周期余弦曲线型和圆弧曲线。多位学者验证抛物线数学模型最符合实际截面[24-25]。文中发现椭圆数学模型与实际截面较为符合,进一步对比抛物线数学模型与椭圆数学模型的积分面积与实际面积的相对误差,依据最小相对误差原则,验证出最优的数学模型。表3为模型方程原型和公式,其中a、b、c为公式参数,W为熔宽,H为余高。相对误差可表示为
式中: Ac为实际面积，单位μm²; Ap为数学模型预测的截面面积，单位μm²。
为简化分析过程，需对数学模型图做出如下假设:
(1)成形层截面大小、轮廓相同且保持不变。
(2)前一道成形层不受后一道成形层热积累的影响。
研究表明，工艺参数为600A、1000mm/min的单道单层成形件宏观及截面形貌最优，适合作为模型验证的依据，而其他工艺参数下的成形件存在不同程度的缺陷，不适合作为验证模型的样本。为确保验证结果的可靠性,文中采用最佳工艺参数进行了5组试验，通过测量熔宽、余高和横截面积等关键参数来验证模型。将5组最佳工艺参数打印的单道单层成形件的熔宽和余高代入各数学模型中，得到的各轮廓模型的积分值S,其中椭圆曲线模型积分面积与提取模型截面面积的相对误差小,如图5所示，因此选用椭圆曲线模型作为最优数学模型。
2.2单道表面质量评价
在确定最优数学模型之后，文中对五组不同工艺参数下的单道单层成形件的数学模型与提取模型进行了对比，生成色差图，并计算了提取模型的标准偏差和均方根值,以此来评价最优的表面质量，并进行试验验证。图6(a)呈现了不同工艺参数下的单道单层成形件的数学模型与提取模型之间色差图。在图中,红色区域表示数学模型高于提取模型，蓝色区域表示数学模型低于提取模型，而绿色区域则表明数学模型与提取模型拟合良好。从色差图中可以明显看出，试样3的表面质量最佳，整体呈现出绿色，这表明该试样的数学模型与提取模型之间的拟合程度较高。
S1、S3、S5的电流固定为600A，速度分别为900mm/min、1000mm/min、1200mm/min。S2、S3、S4的电流分别为570A、600A、630A,成形速度固定为1000mm/min。其中，S1和S4丝材蓝色与绿色间隔分布，表示数学模型与提取模型拟合情况较差，提取模型存在波浪状起伏，这是由于S1的成形速度小，S4的电流大，导致热输入变大，在热积累的作用下,丝出现波浪状起伏;S2、S5的丝材整体呈绿色,顶部存在蓝色分布,表明数学模型与提取模型拟合良好，但数学模型的余高低于提取模型,这是由于S2的电流小,S5的成形速度大,热输入较少导致丝材的余高较大。
图6(b)呈现了5组不同工艺参数试验样件的标准偏差值与均方根值。五组试样的标准偏差相近，其中S1最大，为93μm，S3最小,为75μm,表明表面光滑程度相近。五组试样的均方根值相差较大，按数值由大到小可分为三个梯队，第一梯队为S1、S4，均方根值分别157μm、162μm，数学模型与提取模型的偏差最大。第二梯队为S2、S5，均方根值分别114μm、105μm，表明S2、S5的数学模型与提取模型的偏差较大。第三梯队为S3，均方根值分别84μm，的数学模型与提取模型的偏差最小。
图7展示了上述5组不同工艺参数下的单道单层成形件宏观与截面形貌。S1的成形速度小、S4的电流大，热输入大，丝材有明显的波浪状起伏，导致色差图中有蓝色与绿色间隔分布，其均方根值在第一梯队，数学模型与提取模型偏差最大;S2、S5表面质量良好，无明显波浪状起伏，但截面形貌差，S2的电流小，S5的成形速度大，热输入小，未充分熔化丝材、S2未与基板达到良好冶金结合，S2、S5的余高较大，导致丝材整体呈绿色，顶部存在蓝色分布，其均方根值在第二梯队，数学模型与提取模型偏差较大;S3的宏观表面质量和截面形貌良好，其色差图整体呈绿色，均方根值在第三梯队，数学模型与提取模型偏差最小。
为进一步评估表面质量，激光共聚焦显微镜沿打印方向对单道单层表面质量进行精确测量，结果如图8所示，S1、S3、S5表面粗糙度相近,分别为3.957μm、2.179μm、2.718μm;S2、S3、S4表面粗糙度相差较大，分别为6.711μm、2.179μm、4.976μm;表明成形速度对表面粗糙度影响较小，电流对表面粗糙度影响较大。
2.3多道表面数学模型建立
已经确定单道单层截面轮廓最优数学模型,在此基础上建立多道数学模型。如图9所示,在多道搭接中,EBC区域即为重熔区域,这在物理上是不可能的[22],且为了使多道成形表面区域平整,重熔区域EBC与凹陷区域EFG中液态金属会互相补充,在理想状况下,当区域EBC与区域EFG面积相等[26-28],即S1=S2。此时为最佳搭接率。
最佳搭接率参数λ的表达式为
由上分析可得:
联立式可解得相邻单道成形层之间的中心距离m的表达式为
式中: m表示相邻两个单道成形层的中心距离,单位mm; h表示单道的熔高,单位μm; Δh表示单道间表面凸点与凹点的差值,单位μm;即表面平整度; w表示单道的熔宽,单位μm; a与b分别表示标准椭圆的长轴与短轴长度,单位μm,用wa和wb表示。
由以上内容确定,在理想状况下,最佳搭接距离为0.5w,拟定四组试验,使用最佳工艺参数,分别成形不同中心距的多道单层成形件,具体工艺参数如表4所示。
表4多道单层工艺参数
Table 4 Process parameters for multi-pass single-layer
| 参数 | 数值1 | 数值2 | 数值3 | 数值4 |
| 电流I/A | 600 | 600 | 600 | 600 |
| 速度v/(mm/min) | 1000 | 1000 | 1000 | 1000 |
| 压力F/N | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
| 移动间距/mm | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
2.4多道表面质量评价
图10为不同中心距下多道单层宏观形貌与截面形貌,L1中心距为0.3mm,在成形过程中,两道丝材熔合为一道丝材,截面已经不具有椭圆数学模型的特征,其熔宽较小,余高较大;L2的中心距为0.4mm,搭接距离过小,第二道丝材凝固后未与第一道丝材的上方与右侧,将第一道丝材“盖住”,顶部平齐,符合理想搭接率的数学模型,但其熔宽较小,未与基板达到良好熔合;L3的中心距为0.5mm,此时宏观形貌良好,截面轮廓符合理想数学模型,两道丝材之间仅有较小凹陷;L4的中心距为0.6mm,搭接距离过大,丝材之间未实现有效熔合,且两道丝材与基板之间存在缝隙,未与基板达到良好熔合。综上所述,中心距为0.5mm时,宏观形貌及截面形貌最好。
图11(a)为不同中心距两道单层理想模型与提取模型色差图,L1的两道丝材之间没有明显的分界线,顶部呈蓝色分布,两侧呈黄色分布,是因为两道丝材熔合为一道丝材,数学模型的熔宽大于提取模型,余高小于提取模型;L2的第一道丝材顶部呈现出绿色,第二道丝材顶部呈现出蓝色,是因为成形过程中第二道丝材将第一道丝材“盖住”第二道丝材的数学模型低于提取模型;L3的两道丝材顶部呈绿色分布,丝材中间有黄色分布，表明两道丝材的数学模型与提取模型拟合良好，丝材之间有凹陷，数学模型高于提取模型;L4的第一道丝材顶部呈绿色分布第二道丝材顶部呈蓝色分布，两道丝材之间呈黄色分布，表明第一道丝材，数学模型与提取模型拟合良好，第二道丝材，数学模型低于提取模型，两道丝材之间有较大凹陷，数学模型高于提取模型。
图11(b)为不同中心距两道单层的标准偏差和均方根值。四组试样的标准偏差中，L1的两道丝材熔为一道，表面光滑，标准偏差最小为105μm，L2、L3、L3的第一道丝材表面光滑，但第二道丝材均存在波动，标准偏差均较大，分别为153μm、149μm、137μm;四组试样的均方根值按数值由大到小可分为三个梯队，第一梯队为L1、L4，均方根值分别172μm、165μm，数学模型与提取模型的偏差最大。第二梯队为L2，均方根值分别136μm，表明数学模型与提取模型的偏差较大。第三梯队为L3，均方根值分别114μm，数学模型与提取模型的偏差最小。综上所述，L3的表面质量最好。
为进一步评估表面质量，激光共聚焦显微镜沿打印方向对L3成形件表面质量进行精确测量，结果如图12所示，I为沿成形方向的扫面结果,在1mm范围内未观察到明显波动，测得平均表面粗糙度为2.502μm。II为成形方向的法向扫面结果,测得平均表面粗糙度为21.981μm。
3、结论
(1)经过对不同电流和成形速度的单因素试验分析，确定了TC4钛合金单道单层的最佳工艺参数为电流600A、成形速度1000mm/min。在此参数下，成形件的表面质量最佳，宏观形貌及微观截面良好。在多道搭接成形中，通过理论分析和试验验证，得出最佳中心距为0.5mm，成形件熔合良好，表面质量最佳，宏观形貌和截面形貌均良好。
(2)椭圆模型更符合焦耳热熔丝增材制造截面轮廓。相比于其他常见的数学模型，椭圆模型的积分面积与实际提取模型面积的相对误差最小，能够更准确地拟合成形件的实际轮廓，为多道搭接模型的建立和表面质量评价提供了可靠的理论基础。
(3)通过将数学模型与实际提取模型进行对比，分析色差图，标计算准偏差和均方根值，证明了这种结合数学模型和三维扫描测量的表面质量评价方法的有效性和准确性，为焦耳热熔丝增材制造技术的表面质量控制提供了可靠的量化评估手段。
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（注，原文标题：TC4钛合金焦耳热熔丝增材制造多道搭接表面质量评价）