北京科技大学曲选辉教授、钢铁研究总院田志凌教授团队：热输入改善电弧增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金强度和各向异性
2025-12-269
Xuru Houa, Lin Zhaob, Shubin Ren, Yun Peng, Yang Cao, Chengyong Ma, Zhiling Tian, Xuanhui Qu. Synergistically Improving the Strength and Anisotropy of Wire Arc Additively Manufactured Al-Mg-Sc-Zr alloy by Regulating Heat Input. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 4, Issue 3, 2025, 200215.https://doi.org/10.1016/j.amf.2025.200215.
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950431725000255
电弧增材制造技术（WAAM）因其低生产成本和高沉积效率逐渐成为大型复杂金属构件最具潜力的数字化制造技术。然而，WAAM成形铝合金由于热循环极易出现气孔和粗大柱状晶，导致构件强度不足，同时组织和性能也会出现严重各向异性，限制了WAAM成形铝合金广泛应用。基于此，本工作通过改变热输入实现了高强度与各向同性铝合金的制备。
（1）WAAM成形Al-Mg-Sc-Zr合金拉伸强度达到423±3MPa，同时各向异性率小于5%，获得了高强度与各向同性铝合金；
（2）发现了WAAM成形Al-Mg-Sc-Zr合金中，微观组织晶粒尺寸随热输入增大而逐渐减小；
（3）微观组织越均匀，晶粒尺寸相差越小，则合金各向异性率也就越小。
以Al-Mg-Sc-Zr丝材为原材料，选用冷金属过渡+变极性（CMT+Adv）模式，制备了热输入分别为60、79和99 J/mm的单道30层薄壁构件。采用Micro-CT、EBSD、TEM和拉伸试验等方法对沉积态和热处理态成形合金中气孔缺陷、微观组织特征和力学性能进行了全面而深入的表征分析。同时通过热电偶对WAAM成形铝合金中的温度场进行测试，以分析第二相的演变规律。最后，对拉伸断口进行EBSD测试，从而获得热输入增大致使合金各向异性率降低的原因。
热输入由60J/mm增大至99J/mm时，成形合金气孔率均低于0.04%；热输入的增大，使得合金中Al3(Sc1-x, Zrx)相数量密度增加，尺寸减小，从而导致合金微观组织平均晶粒尺寸由12.28±7.73μm降低至11.00±4.16μm。进一步地，325℃-6h时效处理后，合金中纳米Al3Sc相体积分数饿由0.28%降低至0.20%。沉积态合金中，合金UTS由331MPa增大至359MPa，时效处理后，合金UTS先增大后降低，最高约为423 ± 3 MPa，但合金各向异性率由7.3%降低至1.2%。理论计算显示，热输入为79 J/mm时，合金细晶强化、固溶强化、沉淀强化和位错强化增量分别为40.33、109.56、90.54和10.35 MPa。
(1) 当热输入由60J/mm增大至99J/mm时，WAAM成形Al-Mg-Sc-Zr合金展现出极高致密度，气孔率均低于0.04%。(2) 沉积态合金中第二相主要为Al3(Sc1-x, Zrx)和Al16Mg13相，随着热输入增大，Al3(Sc1-x, Zrx)相数量密度增加，尺寸减小。325℃-6h时效后，大量纳米Al3Sc相弥散析出，尺寸在2-10 nm。(3) 随着热输入增加，组织中CEG数量占比逐渐减少，主要是由于高密度Al3(Sc1-x, Zrx)相形成的。因此，合金组织晶粒形貌由CEG+FEG转变为FEG。(4) 热处理后，高密度Al3Sc相显著提升了合金拉伸性能。热输入为79 J/mm时，合金UTS达到423 ± 3 MPa，其强化机制主要为固溶强化和沉淀强化。由于CEG减少，合金各向异性率由7.3%降低至1.2%。 该工作为WAAM成形高强度、各向同性Al-Mg-Sc系合金提供了试验数据和理论支持，也为WAAM专用铝合金丝材的研发奠定了理论基础。赵琳（本文通讯作者），博士，教授级工程师。致力于先进焊接、激光加工与增材制造等方面研究，作为负责人、主要参与人，承担了包括国家重点科研项目（国家重点研发计划项目、国家973项目、国家863项目、国家国际科技合作专项等）和国防重点军工项目等在内的30余项研究工作。参与书籍编写2部，发表论文120余篇，其中SCI/EI收录70余篇，申请专利50余项。作为项目负责人、项目骨干完成和正在承担国家重点研发计划项目、国防基础科研项目、基础加强项目等10项研究，发表SCI/EI论文30余篇，获国家发明专利授权10项。
[1] Chengling Kan, Lin Zhao, et al. A study on martensite phase evolution of maraging steel induced by thermal cycles during wire arc additive manufacturing based on physical simulation. Materials Science and Engineering: A. 926 (2025) 147947.
[2] Chengling Kan, Lin Zhao, et al. Microstructure evolution and strengthening behavior of maraging steel fabricated by wire arc additive manufacturing at different heat treatment processes. Materials Science and Engineering: A. 909 (2024) 146804.[3] Xuru Hou, Lin Zhao, et al. A comparative study on Al-Mg-Sc-Zr alloy fabricated by wire arc additive manufacturing with controlling interlayer temperature and continuous printing: Porosity, microstructure, and mechanical properties. Journal of Materials Science & Technology 193 (2024) 199–216.[4] Xuru Hou, Lin Zhao, et al. Study on the effects of alloying elements on porosity in Al-Mg-Sc-Zr alloy fabricated by wire arc directed energy deposition. Additive Manufacturing 88 (2024) 104260.[5] Xuru Hou, Lin Zhao, et al. Effect of Sc and Zr addition on microstructure and mechanical properties of high strength 7A52 aluminum alloy welded joints fabricated by double-wire gas metal arc welding. Materials Today Communications 38 (2024) 108341.
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