北京工業(yè)大學：高強鋁合金電弧增材制造的研究進展

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，高強鋁合金因其高強度、低密度、優(yōu)異的延展性和抗腐蝕性，成為這些領域的重要材料之一。電弧增材制造（DED-Arc）技術作為一種新興的制造方法，憑借其高效、靈活的特點，為高強鋁合金復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)大學汽車結構部件先進制造技術教育部工程研究中心聯(lián)合中國科學院金屬研究所在《材料工程》上發(fā)表題為“高強鋁合金電弧增材制造的研究進展”的研究，通過重點分析其工藝、設備、冶金缺陷及性能優(yōu)化手段，綜述了高強鋁合金電弧增材制造的研究進展，并對未來研究方向進行展望。

高強鋁合金電弧增材制造現(xiàn)狀
當前，增材制造領域已發(fā)展出多種鋁合金成形技術，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鍵技術，已在工業(yè)界得到廣泛應用。DED-Arc系統(tǒng)主要由熱源、送絲機和輔助保護氣體等組成。根據(jù)熱源類型的不同，其工藝主要分為熔化極氣體保護焊（GMAW）、非熔化極鎢極氣體保護焊（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增材技術的不斷發(fā)展，許多學者認為CMT是最合適的增材制造工藝，因為它具有更高的冷卻速率，能夠有效減少飛濺和氣孔問題。

高強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
高強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”。

高強鋁合金DED-Arc組織的層間分布形態(tài)

• 力學性能的固有特征
  

通過調整工藝參數(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件的力學和結構性能。然而，由于高裂紋敏感性，成功制造高強度鋁合金構件較為困難，其抗拉強度通常低于300 MPa。高強鋁合金的強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構和性能，導致不同區(qū)域的析出相形貌和硬度存在差異，進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鋁合金構件可能形成具有特殊晶粒結構的區(qū)域。高強鋁合金的可熱處理性使得DED-Arc過程中的復雜熱循環(huán)引發(fā)相變，導致化學不均勻性，如偏析、固溶和過時效，進而影響合金的局部腐蝕。

2高強鋁合金DED-Arc的冶金缺陷
盡管DED-Arc技術具有顯著的優(yōu)勢，但其在冶金缺陷、組織性能控制和工藝優(yōu)化等方面仍需進一步研究。常見的冶金缺陷包括孔洞缺陷、裂紋和殘余應力等。

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、行進速度、熔滴過渡模式、基板和絲材清潔度、焊絲表面質量、保護氣體及焊接參數(shù)等因素影響。高強鋁合金因含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)化絲材質量（調整合金成分、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)（調整保護氣體、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合增材技術（如激光-電弧復合、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裂紋的。層間熔化不充分導致分層或分離是常見缺陷，無法通過后期處理消除，但通過調整工藝參數(shù)可以避免。因此，優(yōu)化合金成分、晶粒偏析、細化晶粒調整工藝參數(shù)是解決高強鋁合金裂紋的主要途徑。

• 殘余應力
  

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力，但會導致晶粒粗大和變形等問題。殘余應力包括微觀和宏觀層面的應力。目前電弧增材制造導致殘余應力的關鍵因素包括：空間溫度梯度、熱膨脹與收縮、應變兼容性、力平衡與應力-應變本構模型。

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

1材料設計
商業(yè)高強鋁合金焊絲在熔焊過程中容易出現(xiàn)熱裂紋和氣孔，影響強度和延展性。另一個問題是高強鋁合金絲材的生產(chǎn)極其困難，，因為在拉絲過程中加工硬化和沉淀強化非常強，傳統(tǒng)拉絲工藝易發(fā)生斷絲而無法加工。當前，DED-Arc生產(chǎn)高強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)化了高強鋁合金，然而由于成分不均勻，表現(xiàn)出各向異性，抗拉強度為241 MPa（水平）和160 MPa（垂直）。Klein等開發(fā)了一種新型高強鋁合金焊絲，經(jīng)過兩級時效處理，抗拉強度達477 MPa。Guo等開發(fā)了7B55-Sc焊絲，使用T6熱處理后，抗拉強度高達618 MPa，被認為是電弧增材制造600 MPa級鋁合金的突破。這使得多絲共熔原位制備高強鋁合金成為新的發(fā)展方向。

此外，研究學者們還通過改進送絲設備、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化晶粒成為一個關鍵優(yōu)化方法。熱絲電弧增材制造是一種新型技術，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等人采用該技術成功制備了致密度99.64%的2024鋁合金，抗拉強度為399 MPa。

2凝固后處理
電弧增材制造后進行快速熱處理，特別是T6熱處理，已成為常用方法，能通過沉淀強化提高抗拉強度和相當結構性，同時減輕疲勞。多項研究表明，T6處理能減少第二相的數(shù)量和尺寸，提升硬度、抗拉強度和延展性。然而，對于精密鋁合金電弧增材部件，熱處理時的冷卻可能導致變形或破裂，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重要。

此外，國內外學者還研究了機械熱處理方法，如熱鍛和噴丸，不過這些方法目前主要評價鋼鐵材料。鍛造可以細化晶粒、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度。對于高強鋁合金，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)適合鋁合金的機械熱處理方法。

3凝固過程中組織調控
為優(yōu)化DED-Arc過程中的組織結構和性能，研究者采用了多種復合熱源和超聲波輔助技術。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，細化了晶粒，提升了材料的抗拉強度和延伸率。激光電弧復合技術結合了高能激光和TIG，通過激光熱輸入細化晶粒，提高冷卻速率，從而增強力學性能。Wu等利用激光-TIG復合技術成功制備了無裂紋、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小，元素分布更均勻。

超聲波輔助（UA）增材制造技術也被應用于細化晶粒和減少孔隙。Wang等通過將超聲波探頭直接浸入熔池，成功制備了7075與TiB2納米復合材料，結果顯示超聲波輔助下孔隙率低，凝固結構精細，納米粒子團聚減少。此外，添加陶瓷顆粒如TiC、TiN和TiB2作為異質形核點，可以抑制晶界偏析，細化晶粒。Fu等制備了含TiC納米顆粒的7075鋁合金絲材，TiC顆粒與第二相結合，促進形核率，最終獲得細小等軸晶組織，沉積態(tài)強度提升至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?shù)膶娱g溫度控制和熱輸入調節(jié)是實現(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過程中微觀結構與層間溫度的關系，發(fā)現(xiàn)較高的層間溫度會導致孿生枝晶取向分布不均勻和細晶粗化，但有助于加速動態(tài)析出過程。

4復合增材制造方法
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)了復合制造工藝，這種工藝通過多種加工機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)方法結合，改進了零件的材料特性和尺寸精度。復合增材制造技術，尤其是層間冷軋、機械錘擊、攪拌摩擦加工（FSP）等方法，已在高強鋁合金制造中取得進展。

復合增材制造工藝

（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，可減少殘余應力，改進微觀結構，降低孔隙率，提升材料性能。

層間錘擊：相比冷軋，錘擊技術不需要重型設備，適合復雜結構，能通過瞬時沖擊增加塑性變形，提升材料強度。

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

這些復合方法通過引入層間塑性變形，細化晶粒并提高位錯密度，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技術已廣泛應用于復雜零部件的制造，尤其在航空航天領域，因高強鋁合金具有優(yōu)異的比強度和比剛度而受到青睞。然而，增材制造技術在高強鋁合金中的應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，相關研究尚處于起步階段，特別是在改善DED-Arc構件形性和拓寬高強鋁合金應用范圍方面。

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

成分設計與絲材研發(fā)：DED-Arc部件的最終性能與微觀結構、合金成分緊密相關。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度和耐腐蝕性至關重要，研究需要采用“過度合金化”策略，開發(fā)納米陶瓷顆粒復合材料和定制化絲材。

DED-Arc高強鋁合金熱處理：由于增材制造逐層加熱，常導致時效不均勻，底層過時效。定制熱處理是提高性能的關鍵，同時需考慮合金元素、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。

復合增材制造技術的協(xié)同性：復合增材制造仍處于探索階段，集成多個操作的裝置具有很高難度。尚缺乏對組織、性能演化機理的深入理解，如塑性變形、機械變形與熱處理的協(xié)同影響等，需要進一步研究優(yōu)化熱-力-形-性的本構關系。

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