昆明理工：電弧增材制造高強(qiáng)度Al-Cu合金的組織、性能、缺陷和后加工工藝綜述

來(lái)源： 增材制造技術(shù)前沿

2xxx系列高強(qiáng)度Al-Cu合金由于其較高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的加工性能和時(shí)效硬化能力，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。電弧增材制造技術(shù)（WAAM）作為先進(jìn)增材制造技術(shù)的一種，具有材料利用率高、成形效率高等特點(diǎn)，為高強(qiáng)度Al-Cu合金的發(fā)展與應(yīng)用提供了一個(gè)新的方向。

昆明理工大學(xué)李飛副教授和姜慶偉副教授團(tuán)隊(duì)合作，從制造工藝、凝固組織、常見(jiàn)缺陷、力學(xué)性能和后處理工藝五個(gè)方面，綜述了WAAM的Al-Cu合金的研究進(jìn)展。重點(diǎn)討論了改善WAAM的Al-Cu合金的微觀組織和力學(xué)性能的方法，并根據(jù)研究現(xiàn)狀，對(duì)未來(lái)的發(fā)展前景提出展望。相關(guān)成果于2023年5月10日在線發(fā)表于《Journal of materials engineering and performance》期刊，一年級(jí)博士研究生范思越為論文的第一作者，李飛副教授和姜慶偉副教授為論文的共同通訊作者。

https://doi.org/10.1007/s11665-023-08233-5

近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)WAAM的高強(qiáng)度Al-Cu合金開(kāi)展了大量的研究工作，研究?jī)?nèi)容主要包括：(1)優(yōu)化WAAM工藝以提高效率和質(zhì)量；(2)開(kāi)發(fā)新的絲材以改善成形件的微觀組織；(3)設(shè)計(jì)后處理工藝以提高力學(xué)性能和減少缺陷。

1. 制造工藝
目前可應(yīng)用的WAAM工藝主要分為：非熔化極WAAM工藝（GTAW-WAAM）、熔化極WAAM工藝（GMAW-WAAM）和混合WAAM工藝（Hybrid-WAAM）。

基于WAAM的非消耗性鎢電極的示意圖

GTAW-WAAM和GMAW-WAAM具有較高的沉積效率和材料利用率，可以制造高質(zhì)量的Al-Cu合金成形件。研究表明，采用多絲WAAM工藝不僅進(jìn)一步提高沉積效率，還可以制造焊接性較差的Al-Cu-Mg合金和Al-Zn-Mg-Cu合金成形件。通過(guò)將多種焊接工藝配合，還開(kāi)發(fā)了幾種混合制造工藝，如激光-MIG混合增材制造技術(shù)，雙電極氣體保護(hù)金屬電弧增材制造和攪拌摩擦復(fù)合電弧增材制造。這些工藝的應(yīng)用都可以有效地改善Al-Cu合金的微觀組織，提高其力學(xué)性能。

2. 凝固組織

不均勻的凝固組織是WAAM的Al-Cu合金的常見(jiàn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為：

(1)當(dāng)沉積高度較低時(shí)，晶粒組織主要由層間的細(xì)小等軸晶區(qū)（Fine equiaxed grains, FQZ）和層內(nèi)的柱狀晶區(qū)組成；

(2)當(dāng)沉積高度較高時(shí)，晶粒組織主要由層間的細(xì)小等軸晶區(qū)和層內(nèi)的柱狀晶區(qū)和粗等軸晶區(qū)組成。

這種不均勻的晶粒組織分布主要與WAAM過(guò)程中由熱循環(huán)主導(dǎo)的散熱和熱積累有關(guān)。不均勻的微觀組織還體現(xiàn)在主要合金元素的偏析。研究表明，通過(guò)優(yōu)化成形工藝，降低WAAM中的熱輸入，優(yōu)化絲材成分等方法可以有效地改善微觀組織的不均勻性，提高合金的力學(xué)性能。

圖1 常見(jiàn)WAAM的Al-Cu合金的凝固組織。

3. 常見(jiàn)缺陷

增材過(guò)程中的缺陷可分為兩類:一類是與成形工藝相關(guān)的缺陷，如微觀結(jié)構(gòu)不均勻、氣孔、殘余應(yīng)力和變形;另外一類是與材料相關(guān)的缺陷，如微觀組織不均勻、氣孔和凝固裂紋。

（1）不均勻的微觀組織

主要與不均勻的熱循環(huán)有關(guān)，非均勻性的程度則取決于熱循環(huán)的性質(zhì)。雖然這種不均勻的微觀組織似乎不可避免，但是它可以被有效地改善通過(guò)優(yōu)化增材工藝參數(shù)，或引入后加工工藝如層間軋制和T6熱處理等方法。

（2）氣孔

研究發(fā)現(xiàn)絲材的表面光潔度對(duì)WAAM組織中的氣孔率影響很大，同時(shí)不同成形工藝制造的Al-Cu合金成形件的氣孔率也有所不同。經(jīng)過(guò)T6熱處理后，合金中的氣孔缺陷通常被惡化，這主要是氫微孔析出、相顆粒溶解和微孔生長(zhǎng)共同作用的結(jié)果。

WAAM2319合金中微孔的3D視圖

（3）凝固裂紋

分布于晶間的低熔點(diǎn)共晶液膜和粗大的晶粒組織加劇了Al-Cu的裂紋敏感性。研究發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)采用多絲增材制造工藝、調(diào)整絲材中各元素的成分配比以及使用TiC納米顆粒對(duì)絲材進(jìn)行改性處理等方法可以降低Al-Cu合金的裂紋敏感性。

（4）殘余應(yīng)力和變形

殘余應(yīng)力指加工后仍然存在于成形零件中的內(nèi)部應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在不利于成形件的性能和尺寸精確度。當(dāng)殘余應(yīng)力介于材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間時(shí)，材料將發(fā)生塑性變形；當(dāng)殘余應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料將發(fā)生斷裂。殘余應(yīng)力的出現(xiàn)與WAAM的熱循環(huán)影響有關(guān)。研究表明，一些后加工工藝如激光沖擊強(qiáng)化和超聲沖擊處理等表面處理工藝可以改善成形件內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布。

4. 后處理工藝

熱處理、層間冷加工和表面處理是目前電弧增材的過(guò)程中常用的后處理工藝。它可以提高WAAM的Al-Cu合金構(gòu)件的質(zhì)量和性能，減少組織不均勻、氣孔、殘余應(yīng)力和變形等缺陷。

（1）熱處理

改善微觀組織的不均勻性，促進(jìn)細(xì)小的納米級(jí)析出相析出，從而提高合金的力學(xué)性能。但是熱處理會(huì)導(dǎo)致材料的伸長(zhǎng)率下降，這與材料中孔隙缺陷惡化有關(guān)。

熱處理析出亞穩(wěn)相

（2）層間冷加工

層間錘擊和層間軋制處理等層間冷加工工藝可以通過(guò)消除WAAM成形件中的大部分氣孔缺陷，并通過(guò)加工硬化來(lái)提高材料的力學(xué)性能，對(duì)控制殘余應(yīng)力也有一定的貢獻(xiàn)。

冷加工消除氣孔

（3）表面處理

目前應(yīng)用的表面處理工藝包括激光沖擊強(qiáng)化和超聲波沖擊處理。激光沖擊強(qiáng)化在一定深度范圍內(nèi)可以提高合金的顯微硬度，并且它可以使得WAAM成形件頂部和中部的殘余應(yīng)力均由拉伸應(yīng)力修正為壓縮應(yīng)力，而這對(duì)提高WAAM成形件的抗疲勞能力有所幫助。

5. 展望

（1）絲材中的合金元素對(duì)WAAM的Al-Cu合金成形件的微觀組織與力學(xué)性能影響很大，通過(guò)添加其他微合金元素或TiC顆粒來(lái)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)專用的WAAM絲材具有重要意義。

（2）表面處理工藝在改善微觀結(jié)構(gòu)和消除殘余應(yīng)力方面的優(yōu)勢(shì)受到滲透深度、額外時(shí)間和成本的限制。相比之下，層間冷加工工藝，如層間軋制和層間錘擊，可以提高WAAM部件的質(zhì)量，同時(shí)保持其成形效率。因此，進(jìn)一步探索新的冷加工工藝和WAAM與冷加工工藝之間的協(xié)同效應(yīng)對(duì)于所有材料的增材制造都至關(guān)重要。

（3）目前的研究主要集中在T4和T6熱處理工藝上。為了進(jìn)一步改善組織和力學(xué)性能，可以探索和考察其它的熱處理工藝。此外，應(yīng)該針對(duì)具體的處理工藝，如層間冷處理等，探究適合的熱處理工藝，防止熱處理過(guò)程中的異常再結(jié)晶對(duì)性能的損害。

（4）基于鋁銅合金主要應(yīng)用于航空航天的事實(shí)，應(yīng)該促進(jìn)鋁銅合金制造與WAAM技術(shù)的進(jìn)一步結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的成形。此外，混合WAAM工藝應(yīng)適應(yīng)復(fù)雜形狀零件的生產(chǎn)，并通過(guò)數(shù)字自動(dòng)化和機(jī)器人輔助設(shè)備進(jìn)一步集成到工業(yè)生產(chǎn)中，以獲得對(duì)形狀和性能的控制。當(dāng)然，還需要在成形路徑規(guī)劃、殘余應(yīng)力消除等方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。