通过多相微观结构工程和晶粒细化技术，在电弧增材制造的Al-Cu-Mg合金中实现高强度和超各向同性

《Materials Science and Engineering: A》：Achieving high strength and super isotropy via multiphase microstructural engineering and grain refinement in wire arc additively manufactured Al-Cu-Mg alloy

　　

何坤|顾江龙|王颖颖|王浩岩|李文卓|徐哲峰|郑春雷|丁家洛|王新丽|王珊珊

中国秦皇岛燕山大学亚稳态材料科学技术国家重点实验室，066004

摘要

在成本效益较高的增材制造铝合金中实现优异的机械性能仍然是一个关键挑战，因为这些合金容易开裂，并且容易形成外延柱状晶粒，从而最终削弱材料的性能。本研究采用线材和脉冲冷金属转移电弧增材制造（CMT-WAAM）技术制备了含有纳米TiC颗粒（TiCnps）的Al-Cu-Mg合金。沉积态（AD）和热处理后的（T6）合金均表现出各向同性和均匀的机械性能，其极限抗拉强度和屈服强度分别为328/216 MPa和500/404 MPa。微观结构观察显示，晶粒无纹理且呈等轴分布，其中夹杂着复杂的微米和纳米级相网络。对于AD合金，θ/S共晶和D0₂₂-Al₃Ti/TiC颗粒与凝固和溶解偏析有关，而L1₂-Al₃Ti、θ''和S′纳米相则是在沉积过程中的内在热处理过程中形成的。这种多相微观结构显著增强了奥罗万（Orowan）效应和相干剪切强度。经过T6处理后，形成了均匀分布的GP区、L1₂相和双S′沉淀物，进一步提高了相干剪切强度。这些结果表明，通过CMT-WAAM制备的TiCnps增强型Al-Cu-Mg合金具有出色的机械性能和各向同性，使其成为低成本高性能结构应用的有希望的候选材料。

引言

增材制造（AM）技术发展迅速，线材电弧增材制造（WAAM）作为一种有前景的技术，特别适用于制造中型和大型部件，因为它具有较高的沉积速率[1]。然而，将WAAM应用于高强度铝合金仍然存在挑战，如孔隙率、微裂纹和各向异性微观结构等问题，这些问题会显著降低材料的机械性能。为了克服这些限制，研究人员探索了工艺优化、成分修改和颗粒增强等策略，以提高微观结构的完整性并改善机械性能。

在工艺开发方面，混合WAAM技术取得了显著进展。顾等人[2]和Eimer等人[3]报告称，WAAM过程中的层间轧制可以有效细化晶粒并减少孔隙率，使沉积合金的屈服强度提高了40%。同样，方等人[4]和牛等人[5]采用层间锤击技术，使极限抗拉强度提高了50%。张等人[6]在WAAM沉积过程中施加外部磁场，以优化微观结构并提高铝合金的强度和延展性。此外，层间区域的激光冲击处理增加了残余应力和位错密度，同时消除了近表面孔隙，从而提高了Al-Cu合金的韧性[7,8]。刘等人[9]和蔡等人[10]开发了电弧-激光混合和超声波频率脉冲电弧工艺，促进了晶粒细化和等轴晶粒的形成，从而提高了机械性能。

在成分修改研究中，重点在于控制凝固范围，以减少高强度铝合金中的裂纹形成。顾等人[11]和王等人[12]利用双丝和多丝WAAM工艺，通过优化送丝速度制备了具有非标准成分的Al-Cu-Mg或Al-Zn-Mg-Cu合金，最终优化了凝固范围，减少了缺陷并提高了机械性能。研究表明，Sc[13]、Zr[14]或(Sc, Zr)[15]、Re[16]和Ti[17]等合金元素可以促进异质形核和Al₃X相的形成，增强沉积物的强度并降低热裂纹敏感性。此外，像Al-Ti-B这样的中间合金被引入作为沉积层之间的细化剂，使强度提高了9%[18]。

鉴于Sc和Re的成本较高，最近的研究重点是将陶瓷相用于增强高强度铝合金。各种添加剂，包括TiB₂[19]、TiN[20]、TiC[21]、SiC[22]、Al₂O₃[23]和B₄C[24]，被用来细化微观结构并减少缺陷，显著提高了强度。其中，TiC由于其与Al的晶格失配仅为6.90%，被证明特别有效[25]。在高温下，TiC可能会分解并与Al反应形成L1₂-Al₃Ti，这种相与基体具有完全的相干性，界面失配仅为0.24%[26]。这种晶体学兼容性促进了凝固过程中的异质形核，从而显著细化了晶粒尺寸。Sokoluk等人[27]和Oropeza等人[28]报告称，TiC增强的Al-Zn-Mg-Cu合金的强度提高了约40%，而Jin等人[29]和Cai等人[25]观察到添加TiC后Al-Cu-(Mg)合金的柱状晶粒向等轴晶粒的转变得到改善，各向异性也有所降低。值得注意的是，晶粒尺寸从101.2 μm减小到18.4 μm，强度提高了50%。

尽管取得了这些进展，但关于增材颗粒在WAAM过程中对微观结构演变的影响机制以及沉积或热处理过程中的相变类型和机制与其对微观结构演变和机械性能的影响之间的关联，仍需进一步阐明。本研究旨在通过全面的微观结构表征和机械性能评估，来探讨纳米TiC修饰的WAAM Al-Cu-Mg (2024-NTD)合金，为高性能轻质合金的增材制造提供实用途径。

章节摘录

材料与WAAM沉积

使用直径为1.2 mm的Al-Cu4-Mg1.5 (2024)合金线材（含有1.0体积%的纳米级TiC颗粒（TiCnps，40-60 nm），由MetaLi LLC提供）制备了薄壁部件。作为基材的是一块商用5083-H112铝板（300 mm × 100 mm × 10 mm），在沉积前对其进行了机械清洗和丙酮脱脂。如图1a所示，WAAM系统包括Fronius CMT Advanced 4000R电源和KUKA六轴机器人。沉积过程如下：

晶粒结构

图2(a–c)分别展示了AD和T6 WAAM 2024-NTD合金的三维和放大的X-Z平面微观结构。两种合金均具有无裂纹的微观结构，主要以等轴晶粒形态存在。相比之下，未添加TiCnps的WAAM合金则呈现出粗大的柱状晶粒和等轴树枝晶的混合结构，如我们之前的研究[30]所揭示的。添加TiCnps促进了从粗大、非均匀结构向细小、均匀结构的转变

结论

通过将纳米TiC颗粒加入2024铝合金线材中，CMT-WAAM沉积的2024-NTD合金获得了等轴细晶粒和多相微观结构，显著提高了机械性能并改善了各向同性。可以得出以下结论：

(1)

AD和T6合金均表现出细小、无纹理的等轴晶粒，平均晶粒尺寸为13.7 μm，并且两种合金都具有复杂的微米和纳米级相网络。在AD合金中，θ/S富集的共晶

CRediT作者贡献声明

何坤：数据整理、正式分析、研究、初稿撰写。顾江龙：资金获取、方法论、资源提供、审稿与编辑。王颖颖：研究、方法论。王浩岩：正式分析、方法论。李文卓：数据整理、研究。徐哲峰：资金获取、审稿与编辑。郑春雷：资源提供、审稿与编辑。丁家洛：方法论、验证。王新丽：数据整理、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中央政府引导的地方科技发展基金项目（项目编号：246Z1026G）、教育部的“春晖计划”合作研究项目（项目编号：HZKY20220244）以及河北省创新能力提升项目（项目编号：22567609H）的支持。