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

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

電弧增材讓每架飛機省300萬美元，材料利用率從20%飆到80%。

這個關鍵案例揭示了WAAM的核心優勢：高沉積率、低設備成本、適合大型結構件。

但WAAM工業應用的門檻遠不止于此，有一系列問題需要被解決。

德里理工大學團隊在2025年11月發表的這篇《Journal of Materials Science》綜述，系統梳理了WAAM技術從實驗室走向產線過程中面臨的各種問題和挑戰。

更重要的是，詳細總結了混合制造技術如何逐一破解這些難題。

AM易道對于該文章的許多理解和表達已脫離原文章的原始技術表述，有大量原創主觀的解讀創作成分，如需要了解更多原始硬核技術內容，請自行閱讀原文。

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

雖然列出了WAAM的各類問題，但同時也是對應技術進化的清晰路線圖。

過去五年，層間軋制、超聲輔助、磁場調控、AI建模等混合方案的成熟度顯著提升，正在試圖解決WAAM大規模工業化的一系列問題。

WAAM的工藝參數精細化調控

先看基礎問題：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）。

本質都是用電弧當熱源，把送進來的鈦合金絲熔化堆積，一層層往上摞。

相比激光粉末床（LPBF）每小時幾十立方厘米的沉積率，WAAM能達到1000 cm3/h，這種量級差異決定了它在大型結構件制造中的獨特價值。

圖2對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，高速樣品晶粒細碎但容易產生未熔合。

論文數據顯示，行進速度從低到高，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。

挑戰是，航空零件既要高強度（需要細晶粒），又要好韌性（需要低殘余應力）。而從圖中可以看到傳統鈦合金WAAM里基本互斥。

圖3的對比更直接，熱輸入的調控是關鍵。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，很考驗工程師調參數的水平，結構件可選高強度參數，能量吸收部件則可優先考慮韌性。

再看電弧增材的保護氣體。

圖4的高速攝影抓拍了不同氦氣配比下的熔滴轉移：

純氬氣時電弧電壓15V，熔滴細密；加50%氦氣后電壓跳到16.3V，熔滴變大；純氦氣直接飆到18.6V，弧長縮短但熔池過熱。

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

這說明通過氣氛調控，可以在強度-韌性之間實現平衡。

通過上面幾張圖可以感受到，WAAM調參難度高，送絲速度、行進速度、電流電壓、氣體配比，動一個就得重調其他仨。

AM易道認為，WAAM工藝難度高于LPBF，因為WAAM多處于開放環境且每個工藝變量背后的硬件往往是非標準化的。

WAAM的微觀組織主動調控
比調參數還麻煩的，是打印過程的熱歷史造成的各種各樣的微觀組織結構，但這是實現性能優化的基礎。

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

圖7的EBSD分析揭示了各向異性的問題。

通過改變沉積路徑或引入層間處理，可以弱化織構強度，降低各向異性。

圖8的TEM照片總結WAAM的一些常見缺陷發生機理：α/α'和β相界面密布位錯墻，這些缺陷在循環加載時就是裂紋萌生點。

圖9的示意圖解釋了斷裂機制，微裂紋優先在α集束與先驗β晶界的45°交界處萌生，然后沿著板條界面擴展。

航空零件最怕的正是這種斷裂帶來的疲勞失效，目前業界已有的研究能夠為有限元仿真和零件壽命評估提供物理基礎。

論文里有組數據特別真實：表1匯總了十幾篇文獻的WAAM Ti-6Al-4V力學性能，抗拉強度從820MPa到1034MPa，延伸率從6%到17%，跨度巨大。

這種一致性差，是高端工業應用的攔路虎。但樂觀點看，這表實際上反映了WAAM參數窗口的靈活性。

同樣的Ti-6Al-4V，可以通過不同工藝組合獲得不同的性能。

WAAM的混合制造技術的系統集成

混合制造代表了WAAM技術的重要發展方向。

圖11對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勢，而混合方案正在補齊精度和表面質量的短板。

圖12系統展示了五大類混合技術路線：

這張圖值得收藏。

(a-d) 機械輔助方案，層間軋制、原位鍛打技術通過塑性變形引入儲能，促進動態再結晶。

研究數據顯示，軋制處理可將β晶尺寸從785微米細化至371微米，長寬比從3.42降至2.16。更重要的是，這種處理在高溫態進行，能耗低于傳統熱處理。

(e) 磁場輔助技術，外加磁場通過洛倫茲力改變熔池對流模式，實現溫度場均勻化。這項技術已經在In625等難加工合金上驗證有效，正在向Ti-6Al-4V推廣。

(f-g) 超聲輔助方案，超聲振動在基板或送絲端施加，通過空化效應和強制對流細化晶粒。

圖14的多尺度表征顯示，超聲處理后織構隨機性增強，這直接改善了各向異性問題。

圖16將所有策略整合為完整的工藝優化框架：從層間滾壓到磁場調控，從超聲激勵到熱梯度管理。

這張圖也值得收藏。

關鍵進展在于，這些技術不再是孤立應用，而是開始探索協同效應。

例如，超聲輔助+磁場調控的組合，已經在實驗室展示出優于單一方法的效果。

WAAM的AI驅動的智能化制造

數據驅動方法正在加速WAAM的工業化進程。

傳統DOE實驗設計需要數百次試驗才能覆蓋參數空間，而圖17展示的機器學習框架提供了更高效的路徑：

通過建立工藝-組織-性能-服役（PSPP）的數據映射，實現參數優化和性能預測。

圖18展示的自動化規劃系統已經實現工程應用：輸入CAD模型后，系統自動生成分層路徑、預測道次形貌、計算工藝參數，輸出機器人代碼。

這種端到端的自動化，將工藝規劃時間從數天縮短至數小時。

圖19的應力預測框架展示了AI的另一個價值：從沉積順序矩陣直接預測殘余應力場，繞過耗時的有限元仿真。

驗證案例表明，預測精度可達±15MPa，而計算時間縮短了兩個數量級。

論文總結道，當前的研究重點已經從能否預測轉向如何泛化。

論文呼吁建立開放的WAAM數字孿生數據庫，包含標準化的多尺度關聯數據。

論文提到，歐洲的AM-Motion項目、美國的MfgUSA平臺都在推進這一方向，我國的增材制造國家創新中心也在構建類似體系。

WAAM工業應用的場景拓展

WAAM技術的應用版圖正在快速擴張。

圖20a展示的案例涵蓋航空航天、國防、核電、船舶等領域。波音787艙門鎖扣、空客翼肋支架已經完成工程驗證，火箭燃料艙、核電管道接頭正在進行試制。

這張圖也值得WAAM從業者收藏。

表2則系統梳理了不同行業的技術需求，也值得收藏：

海軍艦艇現場維修是個典型案例。

傳統方式需要拆卸運回船廠，周期長、風險大。

便攜式WAAM系統面臨濕度、鹽霧、供電等挑戰，但技術方案已經成型：密封保護艙+惰性氣氛循環+電池供電，印度、韓國的海軍都在試點。

電弧增材技術路線的前瞻布局

圖21描繪了WAAM技術的演進方向，從單一材料到多材料復合，從合金到功能梯度結構，從離線規劃到數字孿生閉環。

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、多絲同步送料技術正在成熟。通過實時調整送絲配比，可以實現成分梯度控制，零件底部高強度Ti-6Al-4V，中部添加TiC增強耐磨性，表面富鋁提升抗氧化性。

方向2：數字孿生與閉環控制

當前進展包括：

• 熔池視覺識別算法，響應時間<50ms

• 基于深度學習的缺陷預測模型，準確率>90%

• 工藝參數自適應調整，已在實驗室驗證

這是工業化的最后一公里。

歐洲CEN/TC 438在推進WAAM材料數據表標準，ISO/TC 261正在制定增材制造質量管理規范。我國的全國增標委也在同步跟進。

值得一提的是數字材料護照（Digital Material Passport）概念的提出：

每個零件從原材料批次、工藝參數、過程監控數據到性能測試結果，形成完整可追溯鏈條。區塊鏈技術的引入，為數據防篡改提供了技術保障。

AM易道觀察：混合制造重構價值鏈

這篇綜述的價值不在于羅列挑戰，而在于清晰勾勒出技術進化路徑。

WAAM從粗放型沉積走向精益數字制造，很顯然，混合技術起到了關鍵作用。

三個技術趨勢值得關注：

1. 系統集成商的價值凸顯

單一WAAM設備的技術壁壘在降低，但"電弧沉積+在線檢測+機械后處理+熱處理"的一體化方案需要跨學科整合能力。

西門子收購Material Solutions、通快并購GEFERTEC，背后邏輯都是補齊系統集成能力。

2. 多機器人協同系統成為新賽道

圖21右上角的多機器人同步沉積，能將大型框架制造周期從月縮短到周。

技術難點在路徑規劃和碰撞避障算法，這恰恰是軟件公司的機會。

美國的Rapid Robotics、德國的Arevo已經推出商用方案，國內市場空間巨大。

3. 維修再制造打開差異化市場

航空發動機葉片修復、海工裝備補焊、模具修復，這些場景對WAAM的"快速、便攜、低成本"特性需求強烈，對表面質量要求相對寬松。

法國的BeAM、英國的WAAM3D都在這個細分市場獲得穩定訂單。

我們認為，WAAM技術的工業化進程，是典型的馬拉松式創新，需要持續的工程優化和系統集成。

從綜述能明顯感受到，從工藝參數精細化，到混合制造技術成熟，再到AI和數字孿生賦能，每個環節的進步都在累積，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值，在于用36頁的系統梳理，為從業者提供了完整的技術圖譜和發展脈絡。

有很多圖片值得收藏，我們都高亮標注了。

技術的成熟度曲線上，相比LPBF，WAAM或許還在爬坡期，但混合制造技術的快速進展，正在縮短這個周期。

當數字孿生、AI調控、標準體系三者閉環，我們相信WAAM的工業化臨界點會到來的更早。

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