铝合金电弧熔丝增材制造研究进展

来源： XJTU金属增材

铝合金作为常用的轻量化材料，被广泛应用于航空航天，交通运输等领域，而金属电弧熔丝增材制造工艺的发展成熟，为大型复杂铝合金结构件的一体化制造提供了捷径。西安交大金属增材制造团队近年来一直致力于铝合金电弧增材制造的全流程研发，囊括了材料成分设计，复合工艺研发，新型后处理方案，异质材料增材制造等，旨在实现大尺寸铝合金复杂结构件的高性能一体化增材制造。本篇推文介绍了团队在该领域的部分研究进展，请大家批评指正，同时也期待相关交流合作！

增材制造铝合金激光冲击与热处理复合后处理工艺

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

标题：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

时间：2023年6月

研究亮点：本研究针对电弧熔丝增材制造的2319铝铜合金，结合激光冲击强化工艺和热处理工艺，开发了固溶+激光冲击强化+时效的复合后处理工艺。该复合工艺实现了构件内部孔隙的有效闭合，并通过激光冲击引入位错，在后续时效过程中有效促进析出并延缓析出相粗化，最终有效的提高了构件的力学性能。相比于传统T6热处理，复合后处理工艺试样的抗拉强度，屈服强度分别提高了13%和38%，力学性能具体为抗拉强度：412.2MPa，屈服强度：322.9MPa，延伸率：7.2%。

电弧定向能沉积新型高性能钛纤维强化 Al5183 铝合金

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

标题：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

时间：2023年3月

研究亮点：在传统的电弧增材技术基础上，首次创新的提出了一种连续纤维增强金属基复合材料的方法，并揭示了TFRA构件强韧化提高机理。通过控制电弧热输入量和采用摆动方式能够减少熔池温度从而避免钛合金丝材的熔化，其界面厚度约为 3-10 微米，化学成分呈梯度过渡，没有明显的开裂倾向。与非增强铝合金构件相比，通过添加 10.5%体积分数的钛纤维，钛纤维增强铝部件的屈服强度、拉伸强度和比强度分别提高了 124%、33%和 25%。同时，伸长率保持在 20%，与铝合金构件板的伸长率相一致。此外，冲击功得到了极大的提高（128%）。铝基体的裂纹扩展能被钛纤维有效阻挡，在冲击断裂过程中吸收了大量的冲击能量。

激光冲击强化电弧熔丝增材制造Al-Mg-Sc薄壁构件的研究

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

标题：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

时间：2024年6月

研究亮点：在本研究中，利用激光冲击强化(LSP)处理了电弧熔丝增材Al-6Mg-0.3Sc薄壁构件。结果表明，LSP在近表面形成了亚微米晶粒梯度组织。准原位CT量化了LSP对电弧熔丝增材缺陷的影响，表明孔隙率降低了68%以上。同时，与沉积态(AD)相比，由于位错的积累和连续的动态再结晶导致晶粒细化，以及三峰组织的出现，抗拉强度提高了39.5%，达到295.8±6.4 MPa，而延伸率仅略有下降。本研究为制造高性能无需热处理的大型薄壁构件提供了一种新的解决方案。

异种铝合金电弧熔丝增材制造

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

标题：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

时间：2022年3月

研究亮点： 本研究采用电弧熔丝增材制造技术制备了不同沉积顺序下由2319铝铜合金和5B06铝镁合金组合的异种合金单墙结构。其中下半部分为2319，上半部分为5B06的沉积构件表现出较好的力学性能，其极限抗拉强度为258.5 MPa，屈服强度为139.3 MPa，延伸率为5.6%，仅略低于2319母材的力学性能。结果表明在拉伸试验中，无论沉积顺序如何，两种材料的断裂都发生在交界线以上的第一层层高位置处。长停留时间引起的热应力和S-Al2CuMg相的重熔是促进裂纹萌生的主要因素。而后根据沉积顺序的不同，裂纹沿聚集孔隙或沿晶界分布的条形θ-Al2Cu相扩展。该实验为后续不同沉积顺序下异种铝合金构件的界面性能调控提供了理论基础。

电弧熔丝增材制造2319铝合金的层间激光冲击研究

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

标题：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

时间：2023年11月

研究亮点：本研究在国内外首次成功实现了电弧增材制造与层间激光冲击强化复合制造。为克服电弧熔丝沉积层与重熔层厚度过高的问题，本研究创新的采用螺旋振荡路径，将每个沉积层的厚度限制在激光冲击的影响层厚度之内。与沉积态样品相比，层间激光冲击处理后的样品孔隙数量降低了73.9%。同时，复合工艺制造的拉伸样品拉伸强度，屈服强度和伸长率分别提升了 20.1%，19.1% 和27.3%。此外，由于复合工艺层间强化的工艺特点，后续热输入层能够在已有强化层缺陷闭合的基础上实现缺陷的冶金结合。这种消除缺陷的机理以及层间位错密度的累积是导致强度和塑性同时提升的原因。

电弧熔丝增材制造2319铝合金构件的层间锤击工艺

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

标题：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

时间：2020年8月

研究亮点：

本文针对电弧熔丝增材制造铝合金构件力学性能薄弱的问题，引入层间锤击工艺，研究了不同变形量下，层间锤击工艺对增材制造2319铝合金构件整体力学性能的提升效果及潜在的强化机制（Google Scholar被引160次）。与沉积态试样相比，50.8%变形试样的屈服强度和极限抗拉强度分别从148.4 MPa和288.6 MPa提高到240.9 MPa和334.6 MPa。层间锤击通过后续沉积层提供的原位热处理效果，促使锤击层内的晶粒发生回复和静态再结晶，进而达到晶粒细化的目的。而后续的层间锤击使再结晶晶粒再次变形，进一步提升位错密度，从而提高了2319铝合金的极限抗拉强度。

增材制造微合金化铝铜合金的各向异性及热稳定性调控

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

标题：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

时间：2023年8月

研究亮点：

面向团队自主研发的Sc/Zr/Ti/Er微合金化Al-Cu合金，本文通过电弧熔丝增材技术成功实现了该合金薄壁件的制备，并利用初生Al3X颗粒的异质形核效应，得到了显著的细晶组织。同时，本文还提出了一种均匀化处理接续固溶时效处理的多段热处理制度用以调控合金的综合性能。对比常规热处理强化的样品，新型热处理制度中的均匀化促进了过饱和固溶的Sc、Zr等微量元素转变为大量细小弥散的次生Al3(Sc,Zr,Ti)颗粒，其作为形核位点显著细化了后续析出θ "强化相尺寸，延缓了θ "相在热暴露条件下向θ相的转变进程，进而实现了合金热稳定性的显著提升。同时均匀化还促进了孔隙缺陷的Ostwald的熟化进程，消除了层间结合区域呈链状密集分布的孔隙，使合金失效模式从微孔聚集型断裂转变为理想的韧性断裂，进而改善了合金的拉伸各向异性。