大連理工大學(xué)牛方勇團隊：同步錘鍛輔助電弧熔絲增材制造鋁鎂合金！

來源：增材在線

基于錘鍛法的塑性變形輔助電弧熔絲增材制造（WAAM）技術(shù)在制備高致密細晶鋁合金構(gòu)件方面具有重要的應(yīng)用前景。但現(xiàn)有的層間錘鍛方法存在錘擊力不足、獲得較大塑性變形時錘擊次數(shù)要求較高等局限性。為了有效解決這些問題，2023年7月12日，大連理工大學(xué)高性能精密制造全國重點實驗室的牛方勇副教授團隊與蕪湖市金貿(mào)流體科技股份有限公司合作在《Journal of Alloys and Compounds》發(fā)表最新研究成果“Synchronous-hammer-forging-assisted wire arc additive manufacturing Al-Mg alloy”，提出了同步錘鍛輔助WAAM技術(shù)，并系統(tǒng)研究了其對WAAM鋁鎂合金試件宏觀形貌、顯微組織、氣孔演化和力學(xué)性能的影響。牛方勇副教授為通訊作者。

結(jié)果表明，在同步錘鍛（SHF）條件下，80N的錘鍛力可實現(xiàn)33.97%的大塑性變形，且試樣表面平整度顯著提高。試樣晶粒尺寸從沉積狀態(tài)的105.92μm減小到錘擊試樣的37.15μm，減小了64.93%，具有顯著的等軸效應(yīng)。同時，隨著SHF技術(shù)的應(yīng)用和錘鍛力的增大，以Al3Mg2為主的析出相被打破。樣品中的孔隙由圓形變?yōu)楠M長形，孔隙率僅為0.0065%�？紫稊�(shù)量、當量直徑和表面積分別減少了68.33%、13.75%和67.24%。錘鍛試件的屈服強度和極限抗拉強度分別達到250.37MPa和315.03MPa，分別比熔敷試件高36.28%和8.95%，且仍保持36.11%的高延伸率。

研究亮點

（1）研制了同步錘鍛輔助WAAM裝置。

（2）使用80N錘鍛力實現(xiàn)了33.97%的大塑性變形。

（3）晶粒細化64.93%，并伴有等軸效應(yīng)。

（4）孔隙率降低了一個數(shù)量級，僅為0.0065%。

（5）屈服強度和抗拉強度分別提高36.25%和8.95%。

論文圖片

圖1. 同步錘鍛（SHF）裝置和測量單元的示意圖。(a) SHF裝置；(b) 溫度測量裝置；(c) 力測量裝置。

圖2 不同狀態(tài)下標本的宏觀形貌。(a) 軸測方向的形態(tài)；(b) 橫截面形貌。

圖 3. 晶粒形態(tài)和演化模式。(a) 固液界面構(gòu)成過冷對晶體形貌的影響；(b) 錘鍛和再結(jié)晶導(dǎo)致的晶粒演變。

關(guān)鍵結(jié)論

在這項研究中，提出了一種同步錘鍛輔助WAAM工藝。在不使用和使用SHF的情況下制備Al-Mg薄壁樣品。研究了不同條件下試樣的宏觀形貌、顯微組織和力學(xué)性能。研究結(jié)論如下：

(1) 同步錘鍛輔助方法允許在高溫下沉積材料，以較低的錘鍛力產(chǎn)生大的塑性變形。僅使用80N即可實現(xiàn)33.97%的塑性變形，并獲得成型樣品寬度為7.80mm的平坦且清潔的表面。

(2) 試件的顯微組織具有典型的層狀特征，未經(jīng)SHF的試件層內(nèi)區(qū)域主要為晶粒長度為數(shù)百微米的粗大柱狀晶。層間多為細柱狀枝晶。隨著SHF的施加和錘擊力的增加，層內(nèi)區(qū)域與層間區(qū)域的面積比逐漸減小，晶粒尺寸分別減小4.98%、43.72%和64.93%，并具有明顯的等軸晶粒。和細化效果。沉積物的塑性變形和隨后的原位熱處理有助于細化等軸晶粒。隨著錘鍛和錘鍛力的增大，以Al3Mg2為主的微尺度粒狀白色析出物轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的條帶。

(3) 同步錘鍛輔助方法具有顯著的氣孔抑制效果。當錘鍛力為80N時，試樣的孔隙率、平均EqDiameter和平均Area3d分別降低至0.0065%、1.38μm和6.03μm2。與不錘擊鍛件相比，樣品分別減少了90.12%、13.75%和48.77%。同時，孔隙EqDiameter和平均Area3d分別限制在小于4μm和40μm2。引入熔池的氧化物的減少、低頻振動引起的熔池攪拌作用以及孔隙的閉合和變形是造成孔隙水平較低的主要原因。

(4) SHF的應(yīng)用略微增加了YS和UTS的各向異性。相比之下，EL的各向異性波動較大，反映出EL對錘鍛更為敏感�？傮w而言，WAAM-120樣本顯示出最佳的拉伸性能，YS和UTS分別為250.37±26.74MPa和315.03±4.60MPa，EL保持在36.11±1.20%。性能的提高主要歸因于晶粒的細化、位錯密度的增加以及孔隙的封閉。

通訊作者

牛方勇，大連理工大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師，高性能精密制造全國重點實驗室成員，全國高校黃大年式教師團隊成員，機械工程學(xué)會極端制造分會第一屆委員會委員，中國有色金屬學(xué)會增材制造分會委員，增材制造國家標準起草組成員，《極端制造》期刊青年編委，《Additive Manufacturing Frontiers（AMF）》首屆青年編委會委員，《Additive Manufacturing》及《Ceramics International》等知名SCI期刊優(yōu)秀審稿人。

長期從事難加工材料激光加工/激光輔助加工、激光再制造、增材制造相關(guān)的理論與技術(shù)研究，提出了整體高溫輔助增材應(yīng)力控制方法、同步錘鍛輔助增材金屬構(gòu)件等軸致密化調(diào)控方法，并形成系列裝備，實現(xiàn)了高純?nèi)垠w自生陶瓷構(gòu)件及高性能金屬構(gòu)件的增材制造。研究成果成功應(yīng)用于航天八院、哈電、大眾一汽發(fā)動機等知名企業(yè)，為運載火箭柵格翼、高端機床電主軸部件、大型船用齒輪等重大裝備關(guān)鍵產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計制造提供了強力支撐。

主持重點研發(fā)計劃子課題、自然科學(xué)基金項目、博士后面上及特助等縱向及橫向項目10余項，參與兩機專項、JCJQ項目、自然科學(xué)基金重大項目等4項，參編ASM Handbook增材制造系列叢書1部，發(fā)表SCI論文70余篇（高被引1篇），授權(quán)國家發(fā)明專利30余項，國際專利1項。研究成果獲增材制造權(quán)威國際會議SFF大會最優(yōu)論文報告2次（均為中國大唯一獲獎單位）、遼寧省自然科學(xué)學(xué)術(shù)成果一等獎1項。

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Synchronous-hammer-forging-assisted wire arc additive manufacturing Al-Mg alloy.pdf

論文引用
Niu F, Wang Q, Shan B, et al. Synchronous-hammer-forging-assisted wire arc additive manufacturing Al-Mg alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2023: 171345.

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171345