电弧定向能量沉积2219铝合金的偏析行为与微观结构演变机制研究

针对电弧定向能量沉积(DED-Arc)成形2219铝合金过程中偏析导致的组织性能不均匀问题，研究人员通过数值模拟与实验结合，揭示了Cu元素宏观/微观偏析规律及层间网状共晶形成机制，阐明了冷却速率与Al3 Zr形核剂对晶粒细化的协同作用，为优化增材制造工艺参数提供了理论依据。

　　

在金属增材制造领域，2219铝合金因其优异的比强度和焊接性能成为航天结构件的理想材料。然而，电弧定向能量沉积(DED-Arc)过程中反复的热循环会导致显著的溶质偏析，形成粗大的晶界共晶相和异质微观结构，严重影响材料的力学性能和尺寸稳定性。传统铸造工艺中已发现Cu元素偏析会降低铝合金的耐蚀性，但在多道多层DED-Arc过程中，由于存在层间重熔和复杂热历史，偏析行为呈现动态演变特征，这一科学问题尚未得到系统阐释。

为解决这一难题，国内研究人员在《Materials Characterization》发表研究，通过实验与模拟相结合的方法，首次揭示了DED-Arc成形2219铝合金的偏析演化规律。研究采用红外测温仪和有限元模拟构建温度场模型，计算局部凝固速率(G)和温度梯度(R)参数；利用电子探针微区分析(EPMA)定量表征Cu元素分布，结合扫描电镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)解析微观组织特征。

宏观偏析特征
数值模拟显示单层沉积时顶部冷却速率较底部低25%，导致最后凝固的顶部区域Cu含量比底部高1.8wt.%。EPMA线扫描证实初始几层因冷却速率高达75K/s，微观偏析程度比后续层高40%，形成明显的成分梯度。

层间组织演变
EBSD分析发现重熔区晶粒尺寸(15-25μm)显著小于未熔区(50-80μm)，这归因于两个机制：一是Cu元素富集引起成分过冷促进形核，二是Al₃
Zr颗粒作为异质形核点。随着沉积进行，交替出现四种特征区域：未重熔粗晶区、网状共晶分布的局部重熔区、细晶重熔层和新生沉积层。

网状共晶形成
能谱分析显示层间区域θ-Al₂
Cu共晶相含量达12vol%，呈连续网状分布。热力学计算表明，当局部Cu浓度超过6.3wt.%时，会通过共晶反应L→α-Al+θ相形成这种结构，其空间分布受前一层的重熔深度控制。

该研究建立了DED-Arc工艺参数-热历史-偏析行为-微观组织的定量关系，提出通过调控沉积速率(200-300mm/min)和层间温度(80-120°C)可控制网状共晶占比在8-15%的理想区间。这一发现不仅为铝合金增材制造缺陷控制提供了新思路，其揭示的层间交互作用机制还可推广至其他多道焊接工艺优化。论文特别指出，Al₃
Zr纳米颗粒的形核效应为开发新型铝合金增材制造专用材料指明了方向。