大連理工大學(xué)牛方勇團(tuán)隊(duì)：同步錘鍛輔助電弧熔絲增材制造鋁鎂合金！

來(lái)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(xì)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(shí)錘擊次數(shù)要求較高等局限性。為了有效解決這些問(wèn)題，2023年7月12日，大連理工大學(xué)高性能精密制造全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的牛方勇副教授團(tuán)隊(duì)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(duì)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(shí)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(shí)，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(zhǎng)形，孔隙率僅為0.0065%�？紫稊�(shù)量、當(dāng)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(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別達(dá)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(diǎn)

（1）研制了同步錘鍛輔助WAAM裝置。

（2）使用80N錘鍛力實(shí)現(xiàn)了33.97%的大塑性變形。

（3）晶粒細(xì)化64.93%，并伴有等軸效應(yīng)。

（4）孔隙率降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，僅為0.0065%。

（5）屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(cè)量單元的示意圖。(a) SHF裝置；(b) 溫度測(cè)量裝置；(c) 力測(cè)量裝置。

圖2 不同狀態(tài)下標(biāo)本的宏觀形貌。(a) 軸測(cè)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(guò)冷對(duì)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(xiàng)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(shí)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(zhǎng)度為數(shù)百微米的粗大柱狀晶。層間多為細(xì)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(xì)化效果。沉積物的塑性變形和隨后的原位熱處理有助于細(xì)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(dāng)錘鍛力為80N時(shí)，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(shí)，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(dòng)引起的熔池?cái)嚢枳饔靡约翱紫兜拈]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(dòng)較大，反映出EL對(duì)錘鍛更為敏感。總體而言，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?dú)w因于晶粒的細(xì)化、位錯(cuò)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成員，全國(guó)高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)成員，機(jī)械工程學(xué)會(huì)極端制造分會(huì)第一屆委員會(huì)委員，中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)委員，增材制造國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(huì)委員，《Additive Manufacturing》及《Ceramics International》等知名SCI期刊優(yōu)秀審稿人。

長(zhǎng)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(shí)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(dòng)機(jī)等知名企業(yè)，為運(yùn)載火箭柵格翼、高端機(jī)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(jì)制造提供了強(qiáng)力支撐。

主持重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、自然科學(xué)基金項(xiàng)目、博士后面上及特助等縱向及橫向項(xiàng)目10余項(xiàng)，參與兩機(jī)專(zhuān)項(xiàng)、JCJQ項(xiàng)目、自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目等4項(xiàng)，參編ASM Handbook增材制造系列叢書(shū)1部，發(fā)表SCI論文70余篇（高被引1篇），授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)，國(guó)際專(zhuān)利1項(xiàng)。研究成果獲增材制造權(quán)威國(guó)際會(huì)議SFF大會(huì)最優(yōu)論文報(bào)告2次（均為中國(guó)大唯一獲獎(jiǎng)單位）、遼寧省自然科學(xué)學(xué)術(shù)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

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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