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

來源： 增材制造技術前沿

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

昆明理工大學李飛副教授和姜慶偉副教授團隊合作，從制造工藝、凝固組織、常見缺陷、力學性能和后處理工藝五個方面，綜述了WAAM的Al-Cu合金的研究進展。重點討論了改善WAAM的Al-Cu合金的微觀組織和力學性能的方法，并根據(jù)研究現(xiàn)狀，對未來的發(fā)展前景提出展望。相關成果于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，國內外針對WAAM的高強度Al-Cu合金開展了大量的研究工作，研究內容主要包括：(1)優(yōu)化WAAM工藝以提高效率和質量；(2)開發(fā)新的絲材以改善成形件的微觀組織；(3)設計后處理工藝以提高力學性能和減少缺陷。

1. 制造工藝
目前可應用的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，可以制造高質量的Al-Cu合金成形件。研究表明，采用多絲WAAM工藝不僅進一步提高沉積效率，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。通過將多種焊接工藝配合，還開發(fā)了幾種混合制造工藝，如激光-MIG混合增材制造技術，雙電極氣體保護金屬電弧增材制造和攪拌摩擦復合電弧增材制造。這些工藝的應用都可以有效地改善Al-Cu合金的微觀組織，提高其力學性能。

2. 凝固組織

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

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

(2)當沉積高度較高時，晶粒組織主要由層間的細小等軸晶區(qū)和層內的柱狀晶區(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過程中由熱循環(huán)主導的散熱和熱積累有關。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，提高合金的力學性能。

圖1 常見WAAM的Al-Cu合金的凝固組織。

3. 常見缺陷

增材過程中的缺陷可分為兩類:一類是與成形工藝相關的缺陷，如微觀結構不均勻、氣孔、殘余應力和變形;另外一類是與材料相關的缺陷，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，非均勻性的程度則取決于熱循環(huán)的性質。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WAAM組織中的氣孔率影響很大，同時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共同作用的結果。

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)可以通過采用多絲增材制造工藝、調整絲材中各元素的成分配比以及使用TiC納米顆粒對絲材進行改性處理等方法可以降低Al-Cu合金的裂紋敏感性。

（4）殘余應力和變形

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

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程中常用的后處理工藝。它可以提高WAAM的Al-Cu合金構件的質量和性能，減少組織不均勻、氣孔、殘余應力和變形等缺陷。

（1）熱處理

改善微觀組織的不均勻性，促進細小的納米級析出相析出，從而提高合金的力學性能。但是熱處理會導致材料的伸長率下降，這與材料中孔隙缺陷惡化有關。

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消除WAAM成形件中的大部分氣孔缺陷，并通過加工硬化來提高材料的力學性能，對控制殘余應力也有一定的貢獻。

冷加工消除氣孔

（3）表面處理

目前應用的表面處理工藝包括激光沖擊強化和超聲波沖擊處理。激光沖擊強化在一定深度范圍內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力均由拉伸應力修正為壓縮應力，而這對提高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WAAM的Al-Cu合金成形件的微觀組織與力學性能影響很大，通過添加其他微合金元素或TiC顆粒來設計和開發(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構和消除殘余應力方面的優(yōu)勢受到滲透深度、額外時間和成本的限制。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部件的質量，同時保持其成形效率。因此，進一步探索新的冷加工工藝和WAAM與冷加工工藝之間的協(xié)同效應對于所有材料的增材制造都至關重要。

（3）目前的研究主要集中在T4和T6熱處理工藝上。為了進一步改善組織和力學性能，可以探索和考察其它的熱處理工藝。此外，應該針對具體的處理工藝，如層間冷處理等，探究適合的熱處理工藝，防止熱處理過程中的異常再結晶對性能的損害。

（4）基于鋁銅合金主要應用于航空航天的事實，應該促進鋁銅合金制造與WAAM技術的進一步結合，以實現(xiàn)復雜形狀零件的成形。此外，混合WAAM工藝應適應復雜形狀零件的生產(chǎn)，并通過數(shù)字自動化和機器人輔助設備進一步集成到工業(yè)生產(chǎn)中，以獲得對形狀和性能的控制。當然，還需要在成形路徑規(guī)劃、殘余應力消除等方面進行進一步的研究，以擴大其應用領域。