KAlF4改性4047铝合金电弧增材制造的微观组织调控与力学性能强化机制

针对4047铝合金电弧增材制造(WAAM)过程中气孔率高、力学性能不足的问题，研究人员通过设计含18 wt% KAlF4的药芯焊丝，系统研究了氟盐添加剂对α-Al枝晶、共晶Si颗粒及富Fe金属间化合物的细化作用。结果表明，KAlF4使抗拉强度(UTS)提升至195.0 MPa，屈服强度(YS)达137.0 MPa，为铝合金增材制造工艺优化提供了新思路。

　　

在航空航天和汽车制造领域，铝合金因其轻量化优势成为关键材料，而电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM)技术因其高效率、低成本的特点，成为大型复杂构件制造的新选择。然而，4047铝合金在WAAM过程中面临两大技术瓶颈：熔池表面氧化膜导致的气孔缺陷，以及粗大的α-Al枝晶和共晶Si相引发的力学性能下降。传统解决方案如热等静压(HIP)和激光冲击强化(LSP)虽能改善性能，但存在成本高、工艺复杂等问题。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地将氟盐冶金技术引入WAAM领域，设计出含18 wt% KAlF₄的药芯焊丝。通过对比普通实心焊丝与药芯焊丝制备的薄壁试样，发现KAlF₄的添加显著提升了熔池流动性，使气孔率降低65.3%，同时α-Al枝晶尺寸缩小40%，共晶Si相由针状转变为均匀球状。这种"一箭双雕"的效果源于氟盐的双重作用机制：一方面KAlF₄与Al₂O₃氧化膜反应生成挥发性AlF₃，破除熔池表面屏障；另一方面氟离子吸附在晶界处抑制枝晶过度生长。

研究采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD)进行微观组织表征，结合维氏硬度计和万能试验机评估力学性能。结果显示，药芯焊丝试样的极限抗拉强度(UTS)达195.0 MPa，较对照组提升32%，屈服强度(YS)提高39.8%至137.0 MPa，但断裂延伸率略有下降（从12.1%降至9.8%）。断口分析表明，细化的Si相有效阻碍裂纹扩展，而减少的气孔缺陷显著降低应力集中风险。

在讨论部分，研究者指出该工艺的工业化优势：KAlF₄作为成熟铝冶炼添加剂，成本不足激光设备的1/10，且无需后续热处理。与Guo等报道的205.6 MPa UTS相比，本研究在保持相近强度的同时，将材料利用率提高15%。但文章也指出氟盐挥发可能影响电弧稳定性，建议后续研究优化保护气体成分。

这项发表于《Materials Today Communications》的成果，首次将氟盐精炼原理创新应用于WAAM领域，不仅解决了铝合金增材制造的核心痛点，更为开发新型药芯焊丝提供了理论依据。其价值在于：工艺上，实现了"边打印边改性"的协同制造；理论上，揭示了氟离子对Al-Si共晶体系的调控规律；应用上，为航天器燃料贮箱等承压部件的WAAM制造开辟了新途径。