鋁合金電弧熔絲增材制造研究進展

來源： XJTU金屬增材

鋁合金作為常用的輕量化材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天，交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，而金屬電弧熔絲增材制造工藝的發(fā)展成熟，為大型復雜鋁合金結(jié)構(gòu)件的一體化制造提供了捷徑。西安交大金屬增材制造團隊近年來一直致力于鋁合金電弧增材制造的全流程研發(fā)，囊括了材料成分設(shè)計，復合工藝研發(fā)，新型后處理方案，異質(zhì)材料增材制造等，旨在實現(xiàn)大尺寸鋁合金復雜結(jié)構(gòu)件的高性能一體化增材制造。本篇推文介紹了團隊在該領(lǐng)域的部分研究進展，請大家批評指正，同時也期待相關(guān)交流合作！

增材制造鋁合金激光沖擊與熱處理復合后處理工藝

鏈接查看原文：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103652

標題：Tailoring precipitation of directed energy deposited Al-Cu alloy via lasershock peening.

作者：Tianxing Chang, Hongkai Zhang, Xuewei Fang, Yandong Jing, Naiyuan Xi, Ke Huang*.

期刊：Additive Manufacturing

時間：2023年6月

研究亮點：本研究針對電弧熔絲增材制造的2319鋁銅合金，結(jié)合激光沖擊強化工藝和熱處理工藝，開發(fā)了固溶+激光沖擊強化+時效的復合后處理工藝。該復合工藝實現(xiàn)了構(gòu)件內(nèi)部孔隙的有效閉合，并通過激光沖擊引入位錯，在后續(xù)時效過程中有效促進析出并延緩析出相粗化，最終有效的提高了構(gòu)件的力學性能。相比于傳統(tǒng)T6熱處理，復合后處理工藝試樣的抗拉強度，屈服強度分別提高了13%和38%，力學性能具體為抗拉強度：412.2MPa，屈服強度：322.9MPa，延伸率：7.2%。

電弧定向能沉積新型高性能鈦纖維強化 Al5183 鋁合金

鏈接查看原文：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103445

標題：Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy.

作者：Yongliang Geng, Meng Zhao, Xinzhi Li, Ke Huang, Xuan Peng, Binbin Zhang, Xuewei Fang∗, Yugang Duan, Bingheng Lu.

期刊：Additive Manufacturing

時間：2023年3月

研究亮點：在傳統(tǒng)的電弧增材技術(shù)基礎(chǔ)上，首次創(chuàng)新的提出了一種連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的方法，并揭示了TFRA構(gòu)件強韌化提高機理。通過控制電弧熱輸入量和采用擺動方式能夠減少熔池溫度從而避免鈦合金絲材的熔化，其界面厚度約為 3-10 微米，化學成分呈梯度過渡，沒有明顯的開裂傾向。與非增強鋁合金構(gòu)件相比，通過添加 10.5%體積分數(shù)的鈦纖維，鈦纖維增強鋁部件的屈服強度、拉伸強度和比強度分別提高了 124%、33%和 25%。同時，伸長率保持在 20%，與鋁合金構(gòu)件板的伸長率相一致。此外，沖擊功得到了極大的提高（128%）。鋁基體的裂紋擴展能被鈦纖維有效阻擋，在沖擊斷裂過程中吸收了大量的沖擊能量。

激光沖擊強化電弧熔絲增材制造Al-Mg-Sc薄壁構(gòu)件的研究

鏈接查看原文：https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2370956

標題：Improved properties of wire arc directed energy deposited thin-walled Al-6Mg-0.3Sc component via laser shock peening.

作者：Xuewei Fang, Kai Li, Minghua Ma, Chang Liu, Yao Zhang, Jian Zhou, Zhanxin Li, Jiahao Shang, Ke Huang*, Bingheng Lu.

期刊：Virtual and Physical Prototyping

時間：2024年6月

研究亮點：在本研究中，利用激光沖擊強化(LSP)處理了電弧熔絲增材Al-6Mg-0.3Sc薄壁構(gòu)件。結(jié)果表明，LSP在近表面形成了亞微米晶粒梯度組織。準原位CT量化了LSP對電弧熔絲增材缺陷的影響，表明孔隙率降低了68%以上。同時，與沉積態(tài)(AD)相比，由于位錯的積累和連續(xù)的動態(tài)再結(jié)晶導致晶粒細化，以及三峰組織的出現(xiàn)，抗拉強度提高了39.5%，達到295.8±6.4 MPa，而延伸率僅略有下降。本研究為制造高性能無需熱處理的大型薄壁構(gòu)件提供了一種新的解決方案。

異種鋁合金電弧熔絲增材制造

鏈接查看原文：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.02.024

標題：Wire and arc additive manufacturing of dissimilar 2319 and 5B06 aluminum alloys.

作者：Tianxing Chang, Xuewei Fang, Gang Liu, Hongkai Zhang, Ke Huang*.

期刊：Journal of Materials Science & Technology

時間：2022年3月

研究亮點： 本研究采用電弧熔絲增材制造技術(shù)制備了不同沉積順序下由2319鋁銅合金和5B06鋁鎂合金組合的異種合金單墻結(jié)構(gòu)。其中下半部分為2319，上半部分為5B06的沉積構(gòu)件表現(xiàn)出較好的力學性能，其極限抗拉強度為258.5 MPa，屈服強度為139.3 MPa，延伸率為5.6%，僅略低于2319母材的力學性能。結(jié)果表明在拉伸試驗中，無論沉積順序如何，兩種材料的斷裂都發(fā)生在交界線以上的第一層層高位置處。長停留時間引起的熱應(yīng)力和S-Al2CuMg相的重熔是促進裂紋萌生的主要因素。而后根據(jù)沉積順序的不同，裂紋沿聚集孔隙或沿晶界分布的條形θ-Al2Cu相擴展。該實驗為后續(xù)不同沉積順序下異種鋁合金構(gòu)件的界面性能調(diào)控提供了理論基礎(chǔ)。

電弧熔絲增材制造2319鋁合金的層間激光沖擊研究

鏈接查看原文：https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145699

標題：Simultaneous strength and ductility enhancement of wire-arc directed energy deposited Al–Cu alloy by interlayer laser shock peening

作者：Yandong Jing, Xuewei Fang, Yongliang Geng, Yusong Duan, Ke Huang*

期刊：Materials Science and Engineering: A

時間：2023年11月

研究亮點：本研究在國內(nèi)外首次成功實現(xiàn)了電弧增材制造與層間激光沖擊強化復合制造。為克服電弧熔絲沉積層與重熔層厚度過高的問題，本研究創(chuàng)新的采用螺旋振蕩路徑，將每個沉積層的厚度限制在激光沖擊的影響層厚度之內(nèi)。與沉積態(tài)樣品相比，層間激光沖擊處理后的樣品孔隙數(shù)量降低了73.9%。同時，復合工藝制造的拉伸樣品拉伸強度，屈服強度和伸長率分別提升了 20.1%，19.1% 和27.3%。此外，由于復合工藝層間強化的工藝特點，后續(xù)熱輸入層能夠在已有強化層缺陷閉合的基礎(chǔ)上實現(xiàn)缺陷的冶金結(jié)合。這種消除缺陷的機理以及層間位錯密度的累積是導致強度和塑性同時提升的原因。

電弧熔絲增材制造2319鋁合金構(gòu)件的層間錘擊工藝

鏈接查看原文：https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140168

標題：Microstructure evolution of wire-arc additively manufactured 2319aluminum alloy with interlayer hammering.

作者：Xuewei Fang, Lijuan Zhang, Guopeng Chen, Ke Huang *, Fei Xue, Lei Wang,Jiyuan Zhao, Bingheng Lu *.

期刊：Materials Science & Engineering A

時間：2020年8月

研究亮點：

本文針對電弧熔絲增材制造鋁合金構(gòu)件力學性能薄弱的問題，引入層間錘擊工藝，研究了不同變形量下，層間錘擊工藝對增材制造2319鋁合金構(gòu)件整體力學性能的提升效果及潛在的強化機制（Google Scholar被引160次）。與沉積態(tài)試樣相比，50.8%變形試樣的屈服強度和極限抗拉強度分別從148.4 MPa和288.6 MPa提高到240.9 MPa和334.6 MPa。層間錘擊通過后續(xù)沉積層提供的原位熱處理效果，促使錘擊層內(nèi)的晶粒發(fā)生回復和靜態(tài)再結(jié)晶，進而達到晶粒細化的目的。而后續(xù)的層間錘擊使再結(jié)晶晶粒再次變形，進一步提升位錯密度，從而提高了2319鋁合金的極限抗拉強度。

增材制造微合金化鋁銅合金的各向異性及熱穩(wěn)定性調(diào)控

鏈接查看原文：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112287

標題：Tailoring the mechanical properties and thermal stability of additive manufactured micro-alloyed Al-Cu alloy via multi-stage heat treatment

作者：You Zhou, Tianxing Chang, Xuewei Fang *, Ruikai Chen, Yefei Li, Ke huang *.

期刊：Materials & Design

時間：2023年8月

研究亮點：

面向團隊自主研發(fā)的Sc/Zr/Ti/Er微合金化Al-Cu合金，本文通過電弧熔絲增材技術(shù)成功實現(xiàn)了該合金薄壁件的制備，并利用初生Al3X顆粒的異質(zhì)形核效應(yīng)，得到了顯著的細晶組織。同時，本文還提出了一種均勻化處理接續(xù)固溶時效處理的多段熱處理制度用以調(diào)控合金的綜合性能。對比常規(guī)熱處理強化的樣品，新型熱處理制度中的均勻化促進了過飽和固溶的Sc、Zr等微量元素轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅考毿�彌散的次生Al3(Sc,Zr,Ti)顆粒，其作為形核位點顯著細化了后續(xù)析出θ "強化相尺寸，延緩了θ "相在熱暴露條件下向θ相的轉(zhuǎn)變進程，進而實現(xiàn)了合金熱穩(wěn)定性的顯著提升。同時均勻化還促進了孔隙缺陷的Ostwald的熟化進程，消除了層間結(jié)合區(qū)域呈鏈狀密集分布的孔隙，使合金失效模式從微孔聚集型斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐氲捻g性斷裂，進而改善了合金的拉伸各向異性。