WAAM（焊接增材制造）Al-Zn-Mg-Cu合金的微观结构、缺陷、性能及失效机理研究

《Materials Science and Engineering: A》：Study on Microstructure-Defects-Properties and Failure Mechanisms of WAAM Al-Zn-Mg-Cu Alloys

本研究系统分析激光增材制造(WAAM)中微结构缺陷与力学性能关系，通过准原位EBSD实验揭示孔隙形态、晶界耦合及取向对裂纹萌生与扩展的调控机制，建立包含孔隙取向的修正经验模型，发现缺陷圆度与强度呈强负相关(-0.99)，不同区域抗拉强度分别为467、437、489 MPa，裂纹沿{100}和{110}晶面双路径扩展。

　　

刘家斌|邵斌|苏恒|李涛|宗颖颖|单德斌

哈尔滨工业大学金属精密热加工国家重点实验室，哈尔滨 150001，中国

摘要：

本研究系统地探讨了线弧增材制造（WAAM）中微观结构缺陷与机械性能之间的关系。通过准原位EBSD实验阐明了孔洞和晶粒在控制失效机制中的作用。顶部、中部和底部区域的抗拉强度分别为467 MPa、437 MPa和489 MPa。强度与缺陷圆度之间存在强烈的负相关关系，相关系数为-0.99。此外，发现缺陷的取向显著影响延伸率。为了提高预测准确性，建立了一个包含孔洞取向的改进经验模型。准原位EBSD分析表明，裂纹的起始和扩展受到孔洞形态、晶界和晶体取向的强烈影响。在小孔洞处应力集中更为明显，而在球形孔洞中，应力会传递到相邻的晶界，促进裂纹萌生。相邻晶粒之间的变形不兼容性，加上较高的Schmid因子，进一步促进了裂纹生长。未熔合缺陷在早期变形阶段倾向于集中应力，裂纹萌生由局部曲率和Schmid因子决定。与柱状晶粒长度平行的缺陷促进了沿{100}平面的裂纹扩展，而横穿晶粒宽度的裂纹表现出“双路径”行为：内部裂纹经历了更严重的变形，导致柱状晶粒内部沿{110}平面的解理断裂。这些发现为WAAM铝合金中缺陷与性能的相互作用提供了机理上的见解，并为调整工艺参数以减少缺陷形成和提高服役性能提供了指导。

引言

超高强度Al-Zn-Mg-Cu合金结合了高比强度、优异的断裂韧性、低密度和出色的抗疲劳性，使其成为航空航天应用中的重要结构材料。然而，随着现代结构设计的发展，传统加工技术在满足复杂几何形状和复杂部件的制造灵活性方面面临挑战。相比之下，增材制造（AM）技术作为替代加工策略具有显著优势，具有高沉积效率和成本效益^[1～3]。其中，线弧增材制造（WAAM）是一种代表性的定向能量沉积技术，利用电弧热源和填充丝在基底表面创建局部熔池，实现逐层沉积。这种方法特别适用于制造大规模、几何形状复杂的部件[4]，[5]。

然而，增材制造过程中复杂的热循环经常导致高度异质的微观结构，伴随有内在的制造缺陷、二次沉淀物和共晶产物[6]，[7]，这严重限制了WAAM的广泛应用。在WAAM处理的Al-Zn-Mg-Cu合金中，最常见的缺陷是氢诱导的孔隙和未熔合（LOF）。氢的孔隙率源于氢在液态铝中的相对较高溶解度（-0.69 cm³/100 g），在固化过程中会显著降低。快速固化过程中被困的氢无法扩散出去，最终形成表面光滑的近球形或椭圆形空洞。相比之下，LOF与熔合不完全和固化收缩有关，通常表现出沿构建方向垂直的延长轴的不规则形态。这些缺陷不仅加剧了垂直构建区域的应力集中，还扩大了有效缺陷面积，从而降低了疲劳寿命、强度和韧性^[8～11]。其根本机制在于微孔隙引起的局部应变集中，这降低了有效承载能力并加速了早期断裂[12]，[13]。

先前的研究表明，孤立的孔洞对弹性模量、屈服强度和极限抗拉强度的影响可以忽略不计，但会显著影响断裂模式和非均匀延伸率^[14]。Mayer等人^[15]报告称，直径超过-50 μm的孔洞通常作为裂纹的优先萌生和扩展位置。多个缺陷的集体效应更为复杂：尽管孔隙率被广泛用于量化缺陷的严重程度，但Niu^[13]表明孔隙率并不是一个通用的描述指标。机械性能强烈依赖于缺陷形态，即使在低孔隙率水平下，不规则缺陷也能严重降低性能^[16]。因此，已经使用了一系列几何描述符（包括最大直径、投影面积、体积、球形度、等效直径和等效惯性椭圆）进行精细的缺陷分类和定量分析^{[17]，[18]。在WAAM部件中，LOF缺陷通常具有大的、不规则的形态（球形度-0.5，平整度-2.3），而氢孔通常较小且接近球形[17]。此外，缺陷的影响不仅取决于其形态和大小，还取决于它们相对于施加载荷方向的取向[19]，[20]。Murakami[21]强调应力集中强度由缺陷位置、大小、形态和取向共同决定。因此，基于临界缺陷大小的模型已被用于预测有缺陷部件的拉伸响应[22]。例如，Wu等人[11]使用高分辨率X射线计算机断层扫描（XCT）系统地表征了WAAM铝合金中的孔隙率，并提出了一个扩展的三参数Kitagawa–Takahashi框架，将临界缺陷大小与施加的应力和疲劳寿命联系起来。此外，研究表明，断裂表面的孔洞面积分数比孔洞体积分数更能可靠地指示承载能力，后者往往导致有限或有偏的解释<23>，[24]。孔洞大小和位置决定了局部变形的异质性，从而影响延展性和强度：延展性主要与断裂区域内的局部孔隙率相关，而抗拉强度反映了宏观缺陷特性。在此基础上，Wu等人[25]建立了孔洞面积分数与延伸率/抗拉强度之间的经验关系。}

重要的是，AM诱导的缺陷与微观结构特征之间的多尺度耦合在驱动裂纹萌生和扩展中起着关键作用。先前的研究一致表明，裂纹优先在孔洞、沉淀物和晶界处萌生。Jiang等人^[26]报告了孔洞周围的显著应变积累，其中滑移带作为裂纹的萌生位置。Liao等人^[27]进一步阐明了裂纹萌生机制随应变的增加而演变：在低应变下，裂纹主要起源于小的、非球形的孔洞；在中等应变下，裂纹起源于较大的球形孔洞、残余应力集中区域和软取向的晶粒；在高应变下，裂纹主要沿晶界和硬取向的晶粒扩展。此外，孔洞与杂质相之间的协同作用加剧了局部应变的异质性。Wu等人^[28]利用数字图像相关（DIC）观察到碳化物和孔洞在-45°处引起局部应力集中，棒状和板状碳化物表现出明显的应变局部化，而孔洞附近的区域特别容易发生裂纹萌生。

总之，本研究全面分析了WAAM制造的Al-Zn-Mg-Cu合金中缺陷、微观结构和机械性能之间的内在相关性。通过准原位EBSD和补充的表征技术，阐明了气体孔隙和晶粒结构在裂纹扩展过程中的相互作用机制，强调了不同应变范围内微缺陷和微观结构特征的多尺度耦合。这些发现有助于深入理解增材制造的高强度铝合金的失效机制，并为优化工艺参数、减少缺陷形成和提高结构完整性及服役可靠性提供了宝贵的理论和实验见解。

实验材料和有限元分析

• (1)
  实验材料

使用电弧送丝增材制造技术制备了Al-Zn-Mg-Cu合金的薄壁部件。该增材过程采用CMT+ Adv模式，在短路阶段引入电流极性切换，同时保持“回抽送丝+短路过渡”模式。这减少了热输入并提高了增材制造的质量。WAAM的基底材料为5A06-H112，预热至200°C。焊接头的移动速度为7mm/s，送丝速度为

微观结构-缺陷-性能的相关性

图2展示了顶部、中部和底部区域的孔洞和晶粒。XOZ平面的缺陷分析（a2至c2）显示，顶部区域主要包含小的、尖锐的孔洞，中部区域的特点是大而尖锐的孔洞，底部区域的孔洞具有较高的球形度。氢在液态中的溶解度显著高于固态。在固化过程中，氢会分离到液体中，形成气泡

孔洞分布对裂纹扩展的影响

应力集中和分布对裂纹的萌生和扩展起着关键作用。为了进一步研究孔洞距离和形状对裂纹生长的影响，进行了有限元模拟来检查孔洞周围的应力分布。图13(a)展示了具有相同水平距离（400 μm）但垂直高度不同的球形孔洞中的裂纹扩展情况。当孔洞处于同一水平位置时，裂纹会穿过两个孔洞。

结论

研究了通过WAAM工艺制造的Al-Zn-Mg-Cu合金的微观结构-缺陷-性能相关性，重点关注缺陷和晶粒结构对裂纹扩展机制的影响。得出以下结论：

1.

广泛的机械性能测试显示，顶部、中部和底部区域的UTS分别为467 MPa、437 MPa和489 MPa。缺陷的统计分析显示，强度与缺陷圆度之间存在强烈的相关性，其中

CRediT作者贡献声明

单德斌：监督、方法论、资金获取。宗颖颖：监督、资源、项目管理、资金获取。李涛：撰写——初稿、正式分析、数据管理。苏恒：可视化、方法论、研究。邵斌：监督、资源。刘家斌：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化

未引用的参考文献

[37], [38], [39], [40], [41], [42]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：U21B2080）和金属成形技术与重型设备国家重点实验室（S2308100W11）的资助。