北京工業(yè)大學(xué)：高強(qiáng)鋁合金電弧增材制造的研究進(jìn)展

來源：增材工業(yè)

近年來,，隨著航空航天和汽車工業(yè)對高性能材料需求的不斷增加,，高強(qiáng)鋁合金因其高強(qiáng)度,、低密度,、優(yōu)異的延展性和抗腐蝕性,，成為這些領(lǐng)域的重要材料之一,。電弧增材制造（DED-Arc）技術(shù)作為一種新興的制造方法,，憑借其高效,、靈活的特點(diǎn)，為高強(qiáng)鋁合金復(fù)雜零部件的制造提供了創(chuàng)新的解決方案,。

2024年7月,，北京工業(yè)大學(xué)汽車結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心聯(lián)合中國科學(xué)院金屬研究所在《材料工程》上發(fā)表題為“高強(qiáng)鋁合金電弧增材制造的研究進(jìn)展”的研究，通過重點(diǎn)分析其工藝,、設(shè)備,、冶金缺陷及性能優(yōu)化手段，綜述了高強(qiáng)鋁合金電弧增材制造的研究進(jìn)展,，并對未來研究方向進(jìn)行展望,。

高強(qiáng)鋁合金電弧增材制造現(xiàn)狀
當(dāng)前，增材制造領(lǐng)域已發(fā)展出多種鋁合金成形技術(shù),，如電子束熔化（EBM）和激光選區(qū)熔化（SLM）等,。其中，DED-Arc作為逐層沉積制造大型鋁合金零件的關(guān)鍵技術(shù),，已在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用,。DED-Arc系統(tǒng)主要由熱源、送絲機(jī)和輔助保護(hù)氣體等組成,。根據(jù)熱源類型的不同,，其工藝主要分為熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、非熔化極鎢極氣體保護(hù)焊（GTAW）和等離子弧焊（PAW）三種,。

其中,，GMAW通過電弧直接熔化絲材實(shí)現(xiàn)沉積成形，主要包括金屬惰性氣體焊接（MIG）和冷金屬過渡（CMT）兩種形式,。隨著CMT增材技術(shù)的不斷發(fā)展,，許多學(xué)者認(rèn)為CMT是最合適的增材制造工藝，因?yàn)樗�具有更高的冷卻速率,，能夠有效減少飛濺和氣孔問題,。

高強(qiáng)鋁合金電弧增材制造的屬性與缺陷

1 組織和性能固有性質(zhì)
高強(qiáng)鋁合金在電弧增材工藝的成形過程中，由于逐層沉積熱輸入引起不同于其他成形方法和其他系鋁合金,，且始終無法完全消除的屬性,，在本研究中被稱為“固有特性/屬性”。

高強(qiáng)鋁合金DED-Arc組織的層間分布形態(tài)

• 力學(xué)性能的固有特征
  

通過調(diào)整工藝參數(shù)（如電弧模式,、送絲速度,、沉積速度）和后處理方法來提升電弧增材制造的鋁合金構(gòu)件的力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能。然而,，由于高裂紋敏感性,，成功制造高強(qiáng)度鋁合金構(gòu)件較為困難，其抗拉強(qiáng)度通常低于300 MPa,。高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度主要依賴于鋁基體中的納米析出相,，如Al-Cu系合金中的Al2Cu和Al-Zn-Mg-Cu系合金中的MgZn2,。電弧增材制造過程中的多次熱循環(huán)影響了材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，導(dǎo)致不同區(qū)域的析出相形貌和硬度存在差異,，進(jìn)而引起性能的各向異性,。

7系鋁合金性能特征

• 腐蝕性能的固有特征
  

由于成分過冷的不同，電弧增材制造的高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件可能形成具有特殊晶粒結(jié)構(gòu)的區(qū)域,。高強(qiáng)鋁合金的可熱處理性使得DED-Arc過程中的復(fù)雜熱循環(huán)引發(fā)相變,，導(dǎo)致化學(xué)不均勻性，如偏析,、固溶和過時(shí)效,，進(jìn)而影響合金的局部腐蝕。

2高強(qiáng)鋁合金DED-Arc的冶金缺陷
盡管DED-Arc技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢,，但其在冶金缺陷,、組織性能控制和工藝優(yōu)化等方面仍需進(jìn)一步研究,。常見的冶金缺陷包括孔洞缺陷,、裂紋和殘余應(yīng)力等。

各種金屬電弧增材的常見缺陷范圍

• 孔洞缺陷
  

孔洞缺陷是DED-Arc制造中的主要挑戰(zhàn),，受送絲速度,、行進(jìn)速度、熔滴過渡模式,、基板和絲材清潔度,、焊絲表面質(zhì)量、保護(hù)氣體及焊接參數(shù)等因素影響,。高強(qiáng)鋁合金因含Mg,、Zn等元素，改變了氫的溶解度,，增加了孔洞控制的難度,。即使熱處理也難以完全消除孔洞，甚至可能增多,。

目前,，控制孔洞的方法包括：優(yōu)化絲材質(zhì)量（調(diào)整合金成分、添加降孔隙元素,、減少表面粗糙度,、去除油脂和水分）、優(yōu)化工藝參數(shù)（調(diào)整保護(hù)氣體,、降低熱輸入,、優(yōu)化熱源和熔滴過渡形式、控制層間溫度）,、以及采用輔助能量場或復(fù)合增材技術(shù)（如激光-電弧復(fù)合,、超聲波輔助,、層間冷軋、錘擊和攪拌摩擦加工等）,。

• 裂紋
  

凝固裂紋是鋁合金DED-Arc過程中的典型缺陷,，高強(qiáng)鋁合金容易產(chǎn)生裂紋，且難以完全避免,。鎂合金的凝固溫度范圍廣,，晶界液化和高熱源導(dǎo)致的快速冷卻容易引發(fā)裂紋。有研究表明,，增加銅含量能減少裂紋的硬度,。粗大晶粒和晶界處第二相偏析是增強(qiáng)裂紋的。層間熔化不充分導(dǎo)致分層或分離是常見缺陷,，無法通過后期處理消除,，但通過調(diào)整工藝參數(shù)可以避免。因此,，優(yōu)化合金成分,、晶粒偏析、細(xì)化晶粒調(diào)整工藝參數(shù)是解決高強(qiáng)鋁合金裂紋的主要途徑,。

• 殘余應(yīng)力
  

電弧增材制造過程涉及多次不均勻的加熱和冷卻循環(huán),，雖然高熱輸入可以減輕殘余應(yīng)力，但會導(dǎo)致晶粒粗大和變形等問題,。殘余應(yīng)力包括微觀和宏觀層面的應(yīng)力,。目前電弧增材制造導(dǎo)致殘余應(yīng)力的關(guān)鍵因素包括：空間溫度梯度、熱膨脹與收縮,、應(yīng)變兼容性,、力平衡與應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型。

高強(qiáng)鋁合金電弧增材制造的性能優(yōu)化手段
目前,，為了提高高強(qiáng)鋁合金的成形質(zhì)量和性能優(yōu)化,，以下優(yōu)化輔助方法在電弧增材中被廣泛應(yīng)用：材料設(shè)計(jì)（如成分設(shè)計(jì)、雙絲/多絲/熱絲DED-Arc,、微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）,；凝固后處理（如熱處理、機(jī)械處理,、超聲處理,、激光噴丸）；凝固過程中的組織調(diào)控（如復(fù)合熱源,、異質(zhì)顆粒,、超聲輔助、層間冷卻,、工藝參數(shù)優(yōu)化）,；及復(fù)合增材制造方法（如層間冷軋,、機(jī)械錘擊、攪拌摩擦加工和銑削）等,。

1材料設(shè)計(jì)
商業(yè)高強(qiáng)鋁合金焊絲在熔焊過程中容易出現(xiàn)熱裂紋和氣孔,，影響強(qiáng)度和延展性。另一個(gè)問題是高強(qiáng)鋁合金絲材的生產(chǎn)極其困難,，,，因?yàn)樵诶�絲過程中加工硬化和沉淀強(qiáng)化非常強(qiáng)，傳統(tǒng)拉絲工藝易發(fā)生斷絲而無法加工,。當(dāng)前,，DED-Arc生產(chǎn)高強(qiáng)鋁合金主要有兩種方法：多絲共熔和自制原料。

研究中,，Yu等人通過三絲共熔優(yōu)化了高強(qiáng)鋁合金,，然而由于成分不均勻，表現(xiàn)出各向異性,，抗拉強(qiáng)度為241 MPa（水平）和160 MPa（垂直）,。Klein等開發(fā)了一種新型高強(qiáng)鋁合金焊絲，經(jīng)過兩級時(shí)效處理,，抗拉強(qiáng)度達(dá)477 MPa,。Guo等開發(fā)了7B55-Sc焊絲,，使用T6熱處理后,，抗拉強(qiáng)度高達(dá)618 MPa，被認(rèn)為是電弧增材制造600 MPa級鋁合金的突破,。這使得多絲共熔原位制備高強(qiáng)鋁合金成為新的發(fā)展方向,。

此外，研究學(xué)者們還通過改進(jìn)送絲設(shè)備,、熔滴過渡狀態(tài)和熱輸入來優(yōu)化沉積過程,。由于高熱輸入和溫度梯度導(dǎo)致粗大晶粒和第二相，性能往往會下降,。減少電弧熱輸入以細(xì)化晶粒成為一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)化方法,。熱絲電弧增材制造是一種新型技術(shù)，通過電阻熱輔助焊絲熔化,，提高沉積效率,，并減少電弧能量輸入。Fu等人采用該技術(shù)成功制備了致密度99.64%的2024鋁合金,，抗拉強(qiáng)度為399 MPa,。

2凝固后處理
電弧增材制造后進(jìn)行快速熱處理，特別是T6熱處理,，已成為常用方法,，能通過沉淀強(qiáng)化提高抗拉強(qiáng)度和相當(dāng)結(jié)構(gòu)性,，同時(shí)減輕疲勞。多項(xiàng)研究表明,，T6處理能減少第二相的數(shù)量和尺寸,，提升硬度、抗拉強(qiáng)度和延展性,。然而,，對于精密鋁合金電弧增材部件，熱處理時(shí)的冷卻可能導(dǎo)致變形或破裂,，影響精度和性能,。因此，選擇合適的冷卻材料及開發(fā)適合材料屬性的特殊熱處理工藝至關(guān)重要,。

此外,，國內(nèi)外學(xué)者還研究了機(jī)械熱處理方法，如熱鍛和噴丸,，不過這些方法目前主要評價(jià)鋼鐵材料,。鍛造可以細(xì)化晶粒、消除空隙,、改善表面光潔度,，噴丸則通過表面塑性變形提高疲勞和強(qiáng)度。對于高強(qiáng)鋁合金,，特殊的表面處理可以提高抗腐蝕,、抗疲勞和疲勞性能，因此值得開發(fā)適合鋁合金的機(jī)械熱處理方法,。

3凝固過程中組織調(diào)控
為優(yōu)化DED-Arc過程中的組織結(jié)構(gòu)和性能,，研究者采用了多種復(fù)合熱源和超聲波輔助技術(shù)。例如,，Bai等發(fā)現(xiàn)單一TiG沉積的2219鋁合金晶粒尺寸約為50 μm,，而Cong等采用冷金屬過渡脈沖工藝（CMT-PADV）有效消除了孔隙，細(xì)化了晶粒,，提升了材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率,。激光電弧復(fù)合技術(shù)結(jié)合了高能激光和TIG，通過激光熱輸入細(xì)化晶粒,，提高冷卻速率,，從而增強(qiáng)力學(xué)性能。Wu等利用激光-TIG復(fù)合技術(shù)成功制備了無裂紋,、孔隙少的2219鋁合金,，熔池分為電弧區(qū)和激光區(qū)，激光攪拌使晶粒更細(xì)小，元素分布更均勻,。

超聲波輔助（UA）增材制造技術(shù)也被應(yīng)用于細(xì)化晶粒和減少孔隙,。Wang等通過將超聲波探頭直接浸入熔池，成功制備了7075與TiB2納米復(fù)合材料,，結(jié)果顯示超聲波輔助下孔隙率低,，凝固結(jié)構(gòu)精細(xì)，納米粒子團(tuán)聚減少,。此外,，添加陶瓷顆粒如TiC、TiN和TiB2作為異質(zhì)形核點(diǎn),，可以抑制晶界偏析,，細(xì)化晶粒。Fu等制備了含TiC納米顆粒的7075鋁合金絲材,，TiC顆粒與第二相結(jié)合,，促進(jìn)形核率，最終獲得細(xì)小等軸晶組織,，沉積態(tài)強(qiáng)度提升至435 MPa,。

電弧增材制造過程中，由于能量輸入不集中和冷卻速率低,，熱量累積會減慢熔池凝固速度,，影響幾何精度和材料利用率。適當(dāng)?shù)膶娱g溫度控制和熱輸入調(diào)節(jié)是實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一熱邊界條件的有效方法,。Li等開發(fā)了基于熱電冷卻技術(shù)的過程主動冷卻系統(tǒng),，提高了送絲速度和整體效率。Dong等通過控制層間溫度研究了Al-Zn-Mg-Cu合金在DED-Arc過程中微觀結(jié)構(gòu)與層間溫度的關(guān)系,，發(fā)現(xiàn)較高的層間溫度會導(dǎo)致孿生枝晶取向分布不均勻和細(xì)晶粗化,，但有助于加速動態(tài)析出過程。

4復(fù)合增材制造方法
為克服增材制造和傳統(tǒng)制造工藝的局限性,，研究者開發(fā)了復(fù)合制造工藝，這種工藝通過多種加工機(jī)制的相互作用顯著提升性能,。近年來,，增材工藝與其他生產(chǎn)方法結(jié)合，改進(jìn)了零件的材料特性和尺寸精度,。復(fù)合增材制造技術(shù),，尤其是層間冷軋、機(jī)械錘擊,、攪拌摩擦加工（FSP）等方法,，已在高強(qiáng)鋁合金制造中取得進(jìn)展。

復(fù)合增材制造工藝

（a）層間軋制；（b）層間錘擊,；（c）層間FSP

層間冷軋：通過輥壓每一沉積層,，可減少殘余應(yīng)力，改進(jìn)微觀結(jié)構(gòu),，降低孔隙率,，提升材料性能。

層間錘擊：相比冷軋,，錘擊技術(shù)不需要重型設(shè)備,，適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)，能通過瞬時(shí)沖擊增加塑性變形,，提升材料強(qiáng)度,。

攪拌摩擦加工（FSP）：FSP結(jié)合增材制造，避免了傳統(tǒng)增材的缺點(diǎn),，能改善微觀結(jié)構(gòu),、消除孔隙，提升力學(xué)性能,。

這些復(fù)合方法通過引入層間塑性變形,，細(xì)化晶粒并提高位錯(cuò)密度，顯著提高鋁合金的性能,。

未來發(fā)展方向
在過去的20年間,，DED-Arc技術(shù)已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜零部件的制造，尤其在航空航天領(lǐng)域,，因高強(qiáng)鋁合金具有優(yōu)異的比強(qiáng)度和比剛度而受到青睞,。然而，增材制造技術(shù)在高強(qiáng)鋁合金中的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn),，相關(guān)研究尚處于起步階段,，特別是在改善DED-Arc構(gòu)件形性和拓寬高強(qiáng)鋁合金應(yīng)用范圍方面。

DED-Arc高強(qiáng)鋁合金評價(jià)體系：目前的研究主要聚焦于通過減少缺陷和細(xì)化晶粒來提高強(qiáng)度,，但航空航天對高強(qiáng)鋁合金零件的疲勞裂紋擴(kuò)展速率,、斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕等綜合性能有更高要求，相關(guān)研究仍較少,。

成分設(shè)計(jì)與絲材研發(fā)：DED-Arc部件的最終性能與微觀結(jié)構(gòu),、合金成分緊密相關(guān)。由于鋁合金在增材過程中易失去揮發(fā)性元素,，且微合金化元素對提升強(qiáng)度和耐腐蝕性至關(guān)重要,，研究需要采用“過度合金化”策略，開發(fā)納米陶瓷顆粒復(fù)合材料和定制化絲材,。

DED-Arc高強(qiáng)鋁合金熱處理：由于增材制造逐層加熱,，常導(dǎo)致時(shí)效不均勻，底層過時(shí)效。定制熱處理是提高性能的關(guān)鍵,，同時(shí)需考慮合金元素,、納米顆粒、層間變形等因素,，開發(fā)高效,、低成本的熱處理方案。

復(fù)合增材制造技術(shù)的協(xié)同性：復(fù)合增材制造仍處于探索階段,，集成多個(gè)操作的裝置具有很高難度,。尚缺乏對組織、性能演化機(jī)理的深入理解,，如塑性變形,、機(jī)械變形與熱處理的協(xié)同影響等，需要進(jìn)一步研究優(yōu)化熱-力-形-性的本構(gòu)關(guān)系,。

論文鏈接：
[1] 10.11868/j.issn.1001-4381.2023-000708