原位合成TiC对电弧熔炼Al-Cu合金在优化热处理条件下力学性能提升的影响

《Materials Research Bulletin》：Content effects of in-situ synthesis TiC on mechanical properties improvement of wire arc additive manufactured Al-Cu alloys under optimized heat treatment

本研究通过原位熔盐反应制备不同TiC含量的Al-Cu合金线材，采用520℃固溶处理结合热时效优化工艺，分析了TiC颗粒对合金微观结构和力学性能的影响机制。结果表明，1.2wt.% TiC时合金达到最佳综合性能：横向和纵向屈服强度分别为359MPa和320MPa，各向异性指数降低81.9%，延伸率分别为7.6%和5.9%。

　　这项研究聚焦于通过一种新型的制造方法来改善铝铜合金在电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）过程中所表现出的机械性能和各向异性问题。WAAM作为一种快速成型技术，因其高沉积速率、高生产效率以及较低的制造成本而在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用。然而，WAAM过程中反复的熔融与凝固行为以及热积累现象，容易导致沉积层中晶粒粗化和第二相分布不均，从而影响材料的整体性能。这种微观结构的不均匀性是限制WAAM铝铜合金工程应用的关键瓶颈。

为了解决上述问题，研究者尝试了多种策略，包括搅拌摩擦增材制造、超声辅助电弧增材制造等。其中，引入异质形核剂以调控凝固过程成为一种重要手段。在传统的铸造或粉末冶金工艺中，高熔点的陶瓷增强相（如TiC、TiB?、B?C、SiC、ZrO?）常被用作异质形核核心，以实现晶粒细化和凝固微观结构的均匀化。在众多陶瓷颗粒中，TiC因其与铝基体之间的晶格错配较低，能够有效作为异质形核核心，成为增强铝铜合金的理想选择。近年来，研究者开发了多种方法将陶瓷颗粒引入增材制造过程中，包括层间粉末涂覆、芯材线材等，这些创新方法反映了科研人员在铝基复合材料电弧增材制造方面的持续探索。

在焊接技术领域，Sokoluk等人通过使用含有TiC纳米颗粒的填充焊丝，成功制备了无裂纹的AA7075铝铜合金电弧焊接接头。研究表明，这些接头表现出优异的拉伸强度性能。这种在填充材料中预先掺杂陶瓷颗粒的方法为高强铝基复合材料的WAAM提供了新的思路。此外，Cai等人在AA2024铝铜合金的WAAM过程中引入了2 wt%的TiC纳米颗粒，研究发现其显著提升了合金的性能。同样，Zeng等人使用含有1.2 wt% TiC的AA2219焊丝成功制备了高质量的沉积材料，其拉伸强度达到259 MPa，比纯AA2219合金提高了11.6%。Wang等人在Al-Mg合金的WAAM过程中引入了不同含量的纳米TiC/Ti颗粒（0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 wt.%），研究发现当添加量为0.6 wt.%时，合金的强化效果最佳，其机械性能提升了20%-25%。这些研究结果表明，陶瓷颗粒的添加能够显著提升WAAM铝铜合金的微观结构均匀性和机械性能，且颗粒含量与强化效果之间存在明显的相关性。

然而，为了进一步提升合金性能，适当的热处理是不可或缺的。现有的研究表明，热处理工艺往往受到特定制造过程的影响。考虑到WAAM过程倾向于在沉积的铝铜合金中形成非平衡的微观结构，通常采用溶液处理和时效处理来控制析出相的密度、尺寸和形态，从而实现强度和延展性的协同提升。Chen等人发现，在Al-Cu-Mn-Ni合金中，通过凝固、溶液处理和时效处理，可以依次形成三种不同的热稳定强化相。Qi等人观察到，在WAAM制备的2024铝铜合金中，经过溶液处理和人工时效后，沉积材料中的枝晶结构逐渐溶解，而相的层状分布特征变得更加明显。Wang等人则指出，在WAAM的原位热效应下，2319铝铜合金中的球状θ″-Al?Cu相逐渐转变为片状θ′相，这一演变过程被认为是其硬度提升的关键机制之一。然而，过度或不当的热处理可能会对合金性能产生负面影响。Miao等人发现，延长Al-Cu合金的溶液处理时间会导致孔隙率增加和空洞形成，这表明热处理参数对WAAM铝铜合金性能的影响存在显著的临界点，这种临界点可能与陶瓷颗粒含量有关。

当前的研究主要集中在单一TiC含量下的热处理响应，缺乏对不同颗粒含量与热处理参数之间耦合效应的系统性研究。此外，原位合成的TiC颗粒具有独特的特性，如均匀分布和优异的热稳定性，其与热处理过程的相互作用机制与外加颗粒的机制存在本质差异。因此，关于不同颗粒含量与热处理制度之间耦合机制的研究仍较为有限，这在一定程度上阻碍了对TiC增强WAAM铝铜合金热处理过程的精确控制。

基于上述背景，本研究采用WAAM技术，利用不同TiC含量的原位合成焊丝制备单道多层的2319铝铜合金样品。在溶液处理+时效处理的框架下，系统研究了溶液处理和时效处理参数对合金微观结构和机械性能的影响，重点探讨了不同TiC含量下处理后样品的强化机制。研究结果不仅为大规模快速制造增强型铝铜合金结构件提供了重要的技术参考和理论基础，也填补了关于颗粒含量梯度与热处理协同调控机制的关键研究空白。

在制造过程中，研究采用了KUKA R60机器人控制焊接炬的轨迹，并结合Fronius CMT Advanced 4000 R焊接电源以实现金属填充焊丝的精确熔融与沉积。设备的示意图如图1(a)所示。研究使用了三种定制的ER2319铝铜合金焊丝（直径为1.2 mm），这些焊丝通过原位合成技术嵌入了不同含量的TiC颗粒。通过这种方式，确保了TiC颗粒在合金中的均匀分布，并为后续的热处理研究提供了可靠的材料基础。

热处理过程的优化是本研究的重点之一。图4展示了不同TiC含量的沉积材料在溶液处理（处理时间为1小时，处理温度不同）前后的光学显微结构演变，旨在评估溶液处理温度的影响。观察区域集中在沉积样品的中心区域。当TiC含量较低（0.6 wt.%）时，微观结构的变化与原始2319合金相似。经过溶液处理后，样品中的黑色区域组织发生变化，表明了晶粒结构和析出相的演变趋势。随着TiC含量的增加，析出相的分布逐渐发生变化，特别是在时效处理过程中，析出相的密度和间距受到显著影响。研究发现，当TiC含量较高时，析出相的尺寸增大，导致其密度降低，间距增加。这可能是因为在TiC含量较低的情况下，少量的TiC颗粒可以作为异质形核位点，促进θ′相的均匀析出。此时，TiC与铝基体之间的晶格畸变较小，形成低能量的界面，有助于提升材料的强度。然而，当TiC含量过高时，其对析出相的调控作用可能减弱，导致析出相的分布不均，进而影响合金的整体性能。

在研究过程中，研究人员通过系统实验分析了不同TiC含量对合金微观结构和机械性能的影响。实验结果表明，经过520°C的溶液处理（持续时间为2小时）后，合金中的共晶相含量显著降低，且没有晶粒长大现象。这表明，TiC颗粒在溶液处理过程中起到了良好的调控作用，有助于抑制共晶相的形成。在时效处理过程中，合金的硬度随时效时间的延长而呈现先升后降的趋势，当时效时间为10小时时，合金的硬度达到峰值。这说明，时效处理过程中析出相的沉淀和分布对合金的硬度有显著影响。同时，TiC颗粒的引入显著细化了合金的晶粒结构，降低了孔隙率，并消除了原始合金中的各向异性。研究还发现，当TiC含量为1.2 wt.%时，θ′相的沉淀更加均匀和密集，因此该合金表现出最佳的综合性能。其横向和纵向屈服强度分别达到359 MPa和320 MPa，比原始合金的In-Plane Anisotropy Index（IPA）降低了81.9%。同时，该合金的延展性分别为7.6%和5.9%，在强度和延展性之间达到了良好的平衡。

研究还发现，TiC颗粒的引入对合金的热处理响应具有显著影响。在不同TiC含量下，溶液处理和时效处理对合金的微观结构和性能的影响存在差异。例如，当TiC含量较低时，溶液处理对共晶相的抑制作用较弱，而时效处理对析出相的沉淀和分布的影响更为显著。当TiC含量较高时，溶液处理对共晶相的抑制作用增强，同时析出相的沉淀更加均匀，从而提升了合金的整体性能。这表明，TiC颗粒的含量与热处理工艺之间存在复杂的相互作用关系，需要通过系统研究来揭示其协同机制。

此外，研究还探讨了不同TiC含量对合金的热处理过程的影响。例如，在溶液处理过程中，随着TiC含量的增加，析出相的分布逐渐发生变化，特别是在时效处理阶段，析出相的沉淀和分布对合金的硬度和强度具有重要影响。研究发现，当TiC含量为1.2 wt.%时，析出相的沉淀更加均匀和密集，从而显著提升了合金的硬度和强度。同时，TiC颗粒的引入有助于消除原始合金中的各向异性，使合金在各个方向上的性能趋于一致。这种各向异性消除的现象表明，TiC颗粒在调控合金微观结构方面具有重要作用。

研究还发现，不同TiC含量对合金的热处理过程具有不同的影响。例如，当TiC含量较低时，析出相的沉淀较为分散，导致合金的硬度提升有限。而当TiC含量较高时，析出相的沉淀更加均匀和密集，从而显著提升了合金的硬度和强度。这表明，TiC颗粒的含量与析出相的沉淀和分布之间存在密切的关联。因此，在设计和制造高强铝铜合金结构件时，需要综合考虑TiC颗粒的含量与热处理工艺的匹配性，以实现最佳的性能提升。

在热处理过程中，研究人员还发现，时效时间对合金的硬度和强度具有显著影响。例如，当时效时间较短时，析出相的沉淀尚未完全形成，导致合金的硬度提升有限。而当时效时间延长至一定阶段时，析出相的沉淀达到峰值，从而显著提升了合金的硬度和强度。然而，当时效时间过长时，析出相的沉淀可能趋于稳定，导致合金的硬度下降。因此，时效时间的优化对于提升合金性能至关重要。研究发现，当TiC含量为1.2 wt.%时，时效时间的最优值为10小时，此时合金的硬度达到峰值，表现出最佳的综合性能。

研究还发现，TiC颗粒的引入对合金的微观结构和性能具有显著影响。例如，TiC颗粒的加入不仅细化了合金的晶粒结构，还降低了孔隙率，从而提升了合金的致密性和强度。同时，TiC颗粒的引入有助于消除原始合金中的各向异性，使合金在各个方向上的性能趋于一致。这种各向异性消除的现象表明，TiC颗粒在调控合金微观结构方面具有重要作用。此外，TiC颗粒的引入还显著提升了合金的热稳定性，使其在热处理过程中不易发生晶粒长大或析出相分布不均的现象。

综上所述，本研究通过原位合成技术引入不同含量的TiC颗粒，并结合WAAM技术制备了多层的2319铝铜合金样品。在溶液处理+时效处理的框架下，系统研究了不同TiC含量对合金微观结构和机械性能的影响。研究结果表明，TiC颗粒的引入能够显著提升合金的强度和延展性，并有效消除各向异性。同时，热处理工艺的优化对于提升合金性能具有重要作用，特别是在溶液处理和时效处理过程中，析出相的沉淀和分布对合金的硬度和强度具有显著影响。当TiC含量为1.2 wt.%时，析出相的沉淀更加均匀和密集，从而显著提升了合金的综合性能。因此，本研究不仅为高强铝铜合金结构件的制造提供了重要的技术参考和理论基础，也填补了关于颗粒含量梯度与热处理协同调控机制的关键研究空白。

此外，研究还发现，TiC颗粒的引入对合金的热处理响应具有显著影响。在不同TiC含量下，溶液处理和时效处理对合金的硬度和强度的影响存在差异。例如，当TiC含量较低时，析出相的沉淀较为分散，导致合金的硬度提升有限。而当TiC含量较高时，析出相的沉淀更加均匀和密集，从而显著提升了合金的硬度和强度。这表明，TiC颗粒的含量与析出相的沉淀和分布之间存在密切的关联。因此，在设计和制造高强铝铜合金结构件时，需要综合考虑TiC颗粒的含量与热处理工艺的匹配性，以实现最佳的性能提升。

研究还发现，TiC颗粒的引入对合金的微观结构和性能具有显著影响。例如，TiC颗粒的加入不仅细化了合金的晶粒结构，还降低了孔隙率，从而提升了合金的致密性和强度。同时，TiC颗粒的引入有助于消除原始合金中的各向异性，使合金在各个方向上的性能趋于一致。这种各向异性消除的现象表明，TiC颗粒在调控合金微观结构方面具有重要作用。此外，TiC颗粒的引入还显著提升了合金的热稳定性，使其在热处理过程中不易发生晶粒长大或析出相分布不均的现象。

本研究的成果对于推动WAAM技术在铝铜合金制造领域的应用具有重要意义。通过引入TiC颗粒并优化热处理工艺，可以有效提升合金的强度、延展性和各向异性控制能力，从而满足高强、高韧、高可靠性的工程需求。研究还发现，不同TiC含量对合金的热处理响应具有不同的影响，这为未来在不同应用场景下设计和制造高强铝铜合金结构件提供了重要的理论依据和技术支持。同时，本研究的系统性分析也为进一步研究颗粒含量与热处理参数之间的耦合效应提供了基础，有助于推动WAAM技术在铝铜合金制造领域的深入发展。