大连理工大学牛方勇团队：同步锤锻辅助电弧熔丝增材制造铝镁合金！

来源：增材在线

基于锤锻法的塑性变形辅助电弧熔丝增材制造（WAAM）技术在制备高致密细晶铝合金构件方面具有重要的应用前景。但现有的层间锤锻方法存在锤击力不足、获得较大塑性变形时锤击次数要求较高等局限性。为了有效解决这些问题，2023年7月12日，大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室的牛方勇副教授团队与芜湖市金贸流体科技股份有限公司合作在《Journal of Alloys and Compounds》发表最新研究成果“Synchronous-hammer-forging-assisted wire arc additive manufacturing Al-Mg alloy”，提出了同步锤锻辅助WAAM技术，并系统研究了其对WAAM铝镁合金试件宏观形貌、显微组织、气孔演化和力学性能的影响。牛方勇副教授为通讯作者。

结果表明，在同步锤锻（SHF）条件下，80N的锤锻力可实现33.97%的大塑性变形，且试样表面平整度显着提高。试样晶粒尺寸从沉积状态的105.92μm减小到锤击试样的37.15μm，减小了64.93%，具有显着的等轴效应。同时，随着SHF技术的应用和锤锻力的增大，以Al3Mg2为主的析出相被打破。样品中的孔隙由圆形变为狭长形，孔隙率仅为0.0065%。孔隙数量、当量直径和表面积分别减少了68.33%、13.75%和67.24%。锤锻试件的屈服强度和极限抗拉强度分别达到250.37MPa和315.03MPa，分别比熔敷试件高36.28%和8.95%，且仍保持36.11%的高延伸率。

研究亮点

（1）研制了同步锤锻辅助WAAM装置。

（2）使用80N锤锻力实现了33.97%的大塑性变形。

（3）晶粒细化64.93%，并伴有等轴效应。

（4）孔隙率降低了一个数量级，仅为0.0065%。

（5）屈服强度和抗拉强度分别提高36.25%和8.95%。

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图1. 同步锤锻（SHF）装置和测量单元的示意图。(a) SHF装置；(b) 温度测量装置；(c) 力测量装置。

图2 不同状态下标本的宏观形貌。(a) 轴测方向的形态；(b) 横截面形貌。

图 3. 晶粒形态和演化模式。(a) 固液界面构成过冷对晶体形貌的影响；(b) 锤锻和再结晶导致的晶粒演变。

关键结论

在这项研究中，提出了一种同步锤锻辅助WAAM工艺。在不使用和使用SHF的情况下制备Al-Mg薄壁样品。研究了不同条件下试样的宏观形貌、显微组织和力学性能。研究结论如下：

(1) 同步锤锻辅助方法允许在高温下沉积材料，以较低的锤锻力产生大的塑性变形。仅使用80N即可实现33.97%的塑性变形，并获得成型样品宽度为7.80mm的平坦且清洁的表面。

(2) 试件的显微组织具有典型的层状特征，未经SHF的试件层内区域主要为晶粒长度为数百微米的粗大柱状晶。层间多为细柱状枝晶。随着SHF的施加和锤击力的增加，层内区域与层间区域的面积比逐渐减小，晶粒尺寸分别减小4.98%、43.72%和64.93%，并具有明显的等轴晶粒。和细化效果。沉积物的塑性变形和随后的原位热处理有助于细化等轴晶粒。随着锤锻和锤锻力的增大，以Al3Mg2为主的微尺度粒状白色析出物转变为不连续的条带。

(3) 同步锤锻辅助方法具有显着的气孔抑制效果。当锤锻力为80N时，试样的孔隙率、平均EqDiameter和平均Area3d分别降低至0.0065%、1.38μm和6.03μm2。与不锤击锻件相比，样品分别减少了90.12%、13.75%和48.77%。同时，孔隙EqDiameter和平均Area3d分别限制在小于4μm和40μm2。引入熔池的氧化物的减少、低频振动引起的熔池搅拌作用以及孔隙的闭合和变形是造成孔隙水平较低的主要原因。

(4) SHF的应用略微增加了YS和UTS的各向异性。相比之下，EL的各向异性波动较大，反映出EL对锤锻更为敏感。总体而言，WAAM-120样本显示出最佳的拉伸性能，YS和UTS分别为250.37±26.74MPa和315.03±4.60MPa，EL保持在36.11±1.20%。性能的提高主要归因于晶粒的细化、位错密度的增加以及孔隙的封闭。

通讯作者

牛方勇，大连理工大学副教授，博士生导师，高性能精密制造全国重点实验室成员，全国高校黄大年式教师团队成员，机械工程学会极端制造分会第一届委员会委员，中国有色金属学会增材制造分会委员，增材制造国家标准起草组成员，《极端制造》期刊青年编委，《Additive Manufacturing Frontiers（AMF）》首届青年编委会委员，《Additive Manufacturing》及《Ceramics International》等知名SCI期刊优秀审稿人。

长期从事难加工材料激光加工/激光辅助加工、激光再制造、增材制造相关的理论与技术研究，提出了整体高温辅助增材应力控制方法、同步锤锻辅助增材金属构件等轴致密化调控方法，并形成系列装备，实现了高纯熔体自生陶瓷构件及高性能金属构件的增材制造。研究成果成功应用于航天八院、哈电、大众一汽发动机等知名企业，为运载火箭栅格翼、高端机床电主轴部件、大型船用齿轮等重大装备关键产品的创新设计制造提供了强力支撑。

主持重点研发计划子课题、自然科学基金项目、博士后面上及特助等纵向及横向项目10余项，参与两机专项、JCJQ项目、自然科学基金重大项目等4项，参编ASM Handbook增材制造系列丛书1部，发表SCI论文70余篇（高被引1篇），授权国家发明专利30余项，国际专利1项。研究成果获增材制造权威国际会议SFF大会最优论文报告2次（均为中国大唯一获奖单位）、辽宁省自然科学学术成果一等奖1项。

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

论文引用
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