北京工业大学：高强铝合金电弧增材制造的研究进展

来源：增材工业

近年来，随着航空航天和汽车工业对高性能材料需求的不断增加，高强铝合金因其高强度、低密度、优异的延展性和抗腐蚀性，成为这些领域的重要材料之一。电弧增材制造（DED-Arc）技术作为一种新兴的制造方法，凭借其高效、灵活的特点，为高强铝合金复杂零部件的制造提供了创新的解决方案。

2024年7月，北京工业大学汽车结构部件先进制造技术教育部工程研究中心联合中国科学院金属研究所在《材料工程》上发表题为“高强铝合金电弧增材制造的研究进展”的研究，通过重点分析其工艺、设备、冶金缺陷及性能优化手段，综述了高强铝合金电弧增材制造的研究进展，并对未来研究方向进行展望。

高强铝合金电弧增材制造现状
当前，增材制造领域已发展出多种铝合金成形技术，如电子束熔化（EBM）和激光选区熔化（SLM）等。其中，DED-Arc作为逐层沉积制造大型铝合金零件的关键技术，已在工业界得到广泛应用。DED-Arc系统主要由热源、送丝机和辅助保护气体等组成。根据热源类型的不同，其工艺主要分为熔化极气体保护焊（GMAW）、非熔化极钨极气体保护焊（GTAW）和等离子弧焊（PAW）三种。

其中，GMAW通过电弧直接熔化丝材实现沉积成形，主要包括金属惰性气体焊接（MIG）和冷金属过渡（CMT）两种形式。随着CMT增材技术的不断发展，许多学者认为CMT是最合适的增材制造工艺，因为它具有更高的冷却速率，能够有效减少飞溅和气孔问题。

高强铝合金电弧增材制造的属性与缺陷

1 组织和性能固有性质
高强铝合金在电弧增材工艺的成形过程中，由于逐层沉积热输入引起不同于其他成形方法和其他系铝合金，且始终无法完全消除的属性，在本研究中被称为“固有特性/属性”。

高强铝合金DED-Arc组织的层间分布形态

• 力学性能的固有特征
  

通过调整工艺参数（如电弧模式、送丝速度、沉积速度）和后处理方法来提升电弧增材制造的铝合金构件的力学和结构性能。然而，由于高裂纹敏感性，成功制造高强度铝合金构件较为困难，其抗拉强度通常低于300 MPa。高强铝合金的强度主要依赖于铝基体中的纳米析出相，如Al-Cu系合金中的Al2Cu和Al-Zn-Mg-Cu系合金中的MgZn2。电弧增材制造过程中的多次热循环影响了材料的微观结构和性能，导致不同区域的析出相形貌和硬度存在差异，进而引起性能的各向异性。

7系铝合金性能特征

• 腐蚀性能的固有特征
  

由于成分过冷的不同，电弧增材制造的高强铝合金构件可能形成具有特殊晶粒结构的区域。高强铝合金的可热处理性使得DED-Arc过程中的复杂热循环引发相变，导致化学不均匀性，如偏析、固溶和过时效，进而影响合金的局部腐蚀。

2高强铝合金DED-Arc的冶金缺陷
尽管DED-Arc技术具有显著的优势，但其在冶金缺陷、组织性能控制和工艺优化等方面仍需进一步研究。常见的冶金缺陷包括孔洞缺陷、裂纹和残余应力等。

各种金属电弧增材的常见缺陷范围

• 孔洞缺陷
  

孔洞缺陷是DED-Arc制造中的主要挑战，受送丝速度、行进速度、熔滴过渡模式、基板和丝材清洁度、焊丝表面质量、保护气体及焊接参数等因素影响。高强铝合金因含Mg、Zn等元素，改变了氢的溶解度，增加了孔洞控制的难度。即使热处理也难以完全消除孔洞，甚至可能增多。

目前，控制孔洞的方法包括：优化丝材质量（调整合金成分、添加降孔隙元素、减少表面粗糙度、去除油脂和水分）、优化工艺参数（调整保护气体、降低热输入、优化热源和熔滴过渡形式、控制层间温度）、以及采用辅助能量场或复合增材技术（如激光-电弧复合、超声波辅助、层间冷轧、锤击和搅拌摩擦加工等）。

• 裂纹
  

凝固裂纹是铝合金DED-Arc过程中的典型缺陷，高强铝合金容易产生裂纹，且难以完全避免。镁合金的凝固温度范围广，晶界液化和高热源导致的快速冷却容易引发裂纹。有研究表明，增加铜含量能减少裂纹的硬度。粗大晶粒和晶界处第二相偏析是增强裂纹的。层间熔化不充分导致分层或分离是常见缺陷，无法通过后期处理消除，但通过调整工艺参数可以避免。因此，优化合金成分、晶粒偏析、细化晶粒调整工艺参数是解决高强铝合金裂纹的主要途径。

• 残余应力
  

电弧增材制造过程涉及多次不均匀的加热和冷却循环，虽然高热输入可以减轻残余应力，但会导致晶粒粗大和变形等问题。残余应力包括微观和宏观层面的应力。目前电弧增材制造导致残余应力的关键因素包括：空间温度梯度、热膨胀与收缩、应变兼容性、力平衡与应力-应变本构模型。

高强铝合金电弧增材制造的性能优化手段
目前，为了提高高强铝合金的成形质量和性能优化，以下优化辅助方法在电弧增材中被广泛应用：材料设计（如成分设计、双丝/多丝/热丝DED-Arc、微观结构设计）；凝固后处理（如热处理、机械处理、超声处理、激光喷丸）；凝固过程中的组织调控（如复合热源、异质颗粒、超声辅助、层间冷却、工艺参数优化）；及复合增材制造方法（如层间冷轧、机械锤击、搅拌摩擦加工和铣削）等。

1材料设计
商业高强铝合金焊丝在熔焊过程中容易出现热裂纹和气孔，影响强度和延展性。另一个问题是高强铝合金丝材的生产极其困难，，因为在拉丝过程中加工硬化和沉淀强化非常强，传统拉丝工艺易发生断丝而无法加工。当前，DED-Arc生产高强铝合金主要有两种方法：多丝共熔和自制原料。

研究中，Yu等人通过三丝共熔优化了高强铝合金，然而由于成分不均匀，表现出各向异性，抗拉强度为241 MPa（水平）和160 MPa（垂直）。Klein等开发了一种新型高强铝合金焊丝，经过两级时效处理，抗拉强度达477 MPa。Guo等开发了7B55-Sc焊丝，使用T6热处理后，抗拉强度高达618 MPa，被认为是电弧增材制造600 MPa级铝合金的突破。这使得多丝共熔原位制备高强铝合金成为新的发展方向。

此外，研究学者们还通过改进送丝设备、熔滴过渡状态和热输入来优化沉积过程。由于高热输入和温度梯度导致粗大晶粒和第二相，性能往往会下降。减少电弧热输入以细化晶粒成为一个关键优化方法。热丝电弧增材制造是一种新型技术，通过电阻热辅助焊丝熔化，提高沉积效率，并减少电弧能量输入。Fu等人采用该技术成功制备了致密度99.64%的2024铝合金，抗拉强度为399 MPa。

2凝固后处理
电弧增材制造后进行快速热处理，特别是T6热处理，已成为常用方法，能通过沉淀强化提高抗拉强度和相当结构性，同时减轻疲劳。多项研究表明，T6处理能减少第二相的数量和尺寸，提升硬度、抗拉强度和延展性。然而，对于精密铝合金电弧增材部件，热处理时的冷却可能导致变形或破裂，影响精度和性能。因此，选择合适的冷却材料及开发适合材料属性的特殊热处理工艺至关重要。

此外，国内外学者还研究了机械热处理方法，如热锻和喷丸，不过这些方法目前主要评价钢铁材料。锻造可以细化晶粒、消除空隙、改善表面光洁度，喷丸则通过表面塑性变形提高疲劳和强度。对于高强铝合金，特殊的表面处理可以提高抗腐蚀、抗疲劳和疲劳性能，因此值得开发适合铝合金的机械热处理方法。

3凝固过程中组织调控
为优化DED-Arc过程中的组织结构和性能，研究者采用了多种复合热源和超声波辅助技术。例如，Bai等发现单一TiG沉积的2219铝合金晶粒尺寸约为50 μm，而Cong等采用冷金属过渡脉冲工艺（CMT-PADV）有效消除了孔隙，细化了晶粒，提升了材料的抗拉强度和延伸率。激光电弧复合技术结合了高能激光和TIG，通过激光热输入细化晶粒，提高冷却速率，从而增强力学性能。Wu等利用激光-TIG复合技术成功制备了无裂纹、孔隙少的2219铝合金，熔池分为电弧区和激光区，激光搅拌使晶粒更细小，元素分布更均匀。

超声波辅助（UA）增材制造技术也被应用于细化晶粒和减少孔隙。Wang等通过将超声波探头直接浸入熔池，成功制备了7075与TiB2纳米复合材料，结果显示超声波辅助下孔隙率低，凝固结构精细，纳米粒子团聚减少。此外，添加陶瓷颗粒如TiC、TiN和TiB2作为异质形核点，可以抑制晶界偏析，细化晶粒。Fu等制备了含TiC纳米颗粒的7075铝合金丝材，TiC颗粒与第二相结合，促进形核率，最终获得细小等轴晶组织，沉积态强度提升至435 MPa。

电弧增材制造过程中，由于能量输入不集中和冷却速率低，热量累积会减慢熔池凝固速度，影响几何精度和材料利用率。适当的层间温度控制和热输入调节是实现统一热边界条件的有效方法。Li等开发了基于热电冷却技术的过程主动冷却系统，提高了送丝速度和整体效率。Dong等通过控制层间温度研究了Al-Zn-Mg-Cu合金在DED-Arc过程中微观结构与层间温度的关系，发现较高的层间温度会导致孪生枝晶取向分布不均匀和细晶粗化，但有助于加速动态析出过程。

4复合增材制造方法
为克服增材制造和传统制造工艺的局限性，研究者开发了复合制造工艺，这种工艺通过多种加工机制的相互作用显著提升性能。近年来，增材工艺与其他生产方法结合，改进了零件的材料特性和尺寸精度。复合增材制造技术，尤其是层间冷轧、机械锤击、搅拌摩擦加工（FSP）等方法，已在高强铝合金制造中取得进展。

复合增材制造工艺

（a）层间轧制；（b）层间锤击；（c）层间FSP

层间冷轧：通过辊压每一沉积层，可减少残余应力，改进微观结构，降低孔隙率，提升材料性能。

层间锤击：相比冷轧，锤击技术不需要重型设备，适合复杂结构，能通过瞬时冲击增加塑性变形，提升材料强度。

搅拌摩擦加工（FSP）：FSP结合增材制造，避免了传统增材的缺点，能改善微观结构、消除孔隙，提升力学性能。

这些复合方法通过引入层间塑性变形，细化晶粒并提高位错密度，显著提高铝合金的性能。

未来发展方向
在过去的20年间，DED-Arc技术已广泛应用于复杂零部件的制造，尤其在航空航天领域，因高强铝合金具有优异的比强度和比刚度而受到青睐。然而，增材制造技术在高强铝合金中的应用仍面临诸多挑战，相关研究尚处于起步阶段，特别是在改善DED-Arc构件形性和拓宽高强铝合金应用范围方面。

DED-Arc高强铝合金评价体系：目前的研究主要聚焦于通过减少缺陷和细化晶粒来提高强度，但航空航天对高强铝合金零件的疲劳裂纹扩展速率、断裂韧性和抗应力腐蚀等综合性能有更高要求，相关研究仍较少。

成分设计与丝材研发：DED-Arc部件的最终性能与微观结构、合金成分紧密相关。由于铝合金在增材过程中易失去挥发性元素，且微合金化元素对提升强度和耐腐蚀性至关重要，研究需要采用“过度合金化”策略，开发纳米陶瓷颗粒复合材料和定制化丝材。

DED-Arc高强铝合金热处理：由于增材制造逐层加热，常导致时效不均匀，底层过时效。定制热处理是提高性能的关键，同时需考虑合金元素、纳米颗粒、层间变形等因素，开发高效、低成本的热处理方案。

复合增材制造技术的协同性：复合增材制造仍处于探索阶段，集成多个操作的装置具有很高难度。尚缺乏对组织、性能演化机理的深入理解，如塑性变形、机械变形与热处理的协同影响等，需要进一步研究优化热-力-形-性的本构关系。

论文链接：
[1] 10.11868/j.issn.1001-4381.2023-000708