通过双超声波冲击处理辅助的线弧定向能量沉积技术制备的2219铝合金的微观结构与力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure and mechanical properties of 2219 aluminum alloy fabricated by dual ultrasonic impact treatment-assisted wire-arc directed energy deposition

该研究提出双超声冲击处理（D-UIT）辅助激光-电弧复合增材制造（WA-DED）2219铝合金的新方法，通过对称布置两个超声冲击装置同步随焊接 torch 运动对熔池实施耦合冲击，显著细化晶粒（平均尺寸62.08–71.69 μm，减少55.4%-30.7%）、降低孔隙率（91.8%）和改善力学性能（显微硬度提升24%，水平抗拉强度增15.2%）。D-UIT通过协同超声空化与流场效应促进熔体对流和气体逸出，抑制粗大柱状晶形成并弱化织构，验证了双超声技术对多层层状沉积构件微观结构调控的有效性，为高性能航空铝合金部件制造提供新路径。

　　

杨东青|冯军|秦泽辉|常改杰|王磊|黄勇|李晓鹏

南京科技大学材料科学与工程学院，南京，210094，江苏，中国

摘要

为了解决通过线弧定向能量沉积（WA-DED）制造的2219铝合金中存在的微观结构不均匀性、粗大晶粒和孔隙缺陷等问题，本研究将双超声冲击处理（D-UIT）引入WA-DED工艺中。通过建立D-UIT辅助的WA-DED系统，研究了D-UIT对单珠多层沉积样品的微观结构和力学性能的影响。结果表明，D-UIT显著细化了晶粒结构，平均晶粒尺寸降至62.08–71.69 μm范围内。它消除了粗大的柱状晶体和强纹理，显著提高了微观结构的均匀性，最大极密度值降低了65%。同时，D-UIT处理的WA-DED样品的平均孔隙体积和孔隙率分别降低了93.3%和91.8%。D-UIT还使显微硬度提高了24%，水平方向的抗拉强度提高了15.2%，垂直方向的抗拉强度提高了9.0%。这些改进主要归因于D-UIT引起的晶粒细化强化、缺陷控制和纹理弱化的综合作用。因此，D-UIT辅助的WA-DED为生产高性能金属部件提供了一种新方法，并具有广泛的应用潜力。

引言

2219铝合金以其优异的焊接性和力学性能而闻名，是航空航天领域大型结构部件（如低温燃料箱）的关键材料[1]、[2]、[3]。近年来，线弧定向能量沉积（WA-DED）由于其高成形效率和低成本而受到广泛关注，特别适合于大型部件的集成成形[4]、[5]、[6]。然而，通过WA-DED制造的铝合金容易出现微观结构不均匀性、粗大晶粒和孔隙等问题。这些缺陷主要是由于熔池快速凝固导致气泡难以逸出，严重限制了WA-DED 2219铝合金部件的成形质量和实际工程应用[7]、[8]、[9]、[10]。

为了解决这些问题，研究人员尝试了各种工艺控制方法，包括工艺参数优化[11]、层间摩擦搅拌处理[12]、层间锤击[13]、超声振动[14]、[15]和外部磁场[16]。其中，利用超声激励在熔池中产生声流和空化效应被认为是提高金属增材制造性能的重要方法。它能有效破碎树枝晶，增强熔体对流，促进气泡逸出，并减少成分偏析，从而实现晶粒细化和微观结构均匀化。这种方法已在激光增材制造[17]、[18]、电子束增材制造[19]和WA-DED[20]、[21]等多种增材制造方法中得到验证。

目前将超声引入WA-DED的主要方法包括超声冲击处理[22]、[23]、基底上的超声振动[24]、[25]和浸没式超声[26]、[27]。以超声冲击为例，王等人的研究[15]表明，超声冲击处理可将WA-DED 2219铝合金的晶粒尺寸降低55.8%，孔隙率降低84.2%，同时显著增加位错密度和表面压缩应力，抗拉强度提高11.9%，尽管伸长率略有下降。苏等人[28]比较了层间超声冲击和同时超声冲击对WA-DED 18Ni-300钢的影响，发现同时冲击形成了更深的纳米晶层（约230 μm），显著降低了奥氏体含量，水平抗拉强度提高了14.6%，降低了材料各向异性。刁等人[29]还指出，超声冲击辅助的ER321不锈钢WA-DED促进了从粗大柱状晶体向等轴晶体的转变，晶粒尺寸减少了约150%，并提高了屈服强度和抗拉强度，主要是由于晶界强化。这些研究共同表明，超声冲击可以有效细化WA-DED部件的晶粒结构，从而提高其力学性能。

然而，传统的单点超声冲击通常应用于电弧后方。由于能量衰减和影响范围的限制，难以在整个熔池凝固过程中施加有效的冲击，导致柱状晶体的比例相对较高。此外，后续沉积层的重新熔化过程可能会消除先前冲击形成的细晶区，削弱超声处理的累积效果。在铸造领域，研究使用双超声场协同处理镁合金熔体，发现双超声产生了协同的声流效应，与单超声处理相比，晶粒细化效果提高了50%以上[30]、[31]。然而，关于增材制造中双超声辅助技术的研究仍处于早期阶段。彭等人在钛合金激光线材送进增材制造过程中，创新地将超声振动同时应用于沉积层顶部和基底底部。这将沉积层的平均晶粒尺寸从1678.4 μm降低到467.9 μm，实现了比单超声处理更好的细化效果，并同时提高了增材样品的抗拉强度和伸长率，表明双超声在增材制造中的微观结构控制方面具有更大的潜力。

基于此，本文提出了一种新型的双超声冲击处理（D-UIT）辅助的WA-DED方法。为了克服传统单点超声的有效范围有限的问题，在本实验中，两个超声冲击装置对称地布置在沉积路径的两侧，并与焊接炬同步移动，从而在制造过程中对熔池区域施加双场耦合超声冲击。本研究构建了相应的D-UIT辅助WA-DED实验系统，使用2219铝合金作为研究材料，重点分析双超声冲击对微观结构的影响，包括单珠多层样品的晶粒形态、尺寸和分布，并系统评估了显微硬度和抗拉强度等关键力学性能。目的是为生产高性能WA-DED 2219铝合金部件提供一种新方法。

部分摘录

D-UIT辅助的WA-DED工艺实验

本研究中用于增材制造试验的基底是尺寸为400 mm × 300 mm × 10 mm的2A12铝合金板。线材原料为直径为1.2 mm的ER2319铝合金线。基底和线材的化学成分见表1。

本研究建立了一个D-UIT辅助的WA-DED系统，如图1所示。实验系统主要由以下组件组成：一个机器人WA-DED系统、一个双

微观结构

图5和图6分别展示了No-UIT和D-UIT样品的金相图像。从宏观上看，两个样品的截面均无明显的成形缺陷，尽管沉积宽度存在一定的固有不均匀性。D-UIT的应用没有引起明显的不良流动或熔料过度扩散。为了进行微观结构演变的比较分析，检查了特定区域：顶部、中部和底部部分

熔池中双超声的效果

目前的超声辅助线弧定向能量沉积主要使用单个超声源。本研究采用双超声冲击辅助2219铝合金WA-DED。以下部分分析和比较了双超声冲击在WA-DED过程中的效果，重点关注声流和空化效应。

结论

• (1)
  D-UIT促进了WA-DED中从柱状晶粒向等轴晶粒的转变，有效细化了2219铝合金的晶粒结构。D-UIT样品的平均晶粒尺寸分别在顶部、中部和边缘区域降低到62.08 μm、68.76 μm和71.69 μm，相比No-UIT样品分别减少了55.4%、55.6%和30.7%。
• (2)
  通过增强声流和空化效应，D-UIT促进了气体逸出和较大孔隙的破碎

CRediT作者贡献声明

秦泽辉：方法论。王磊：撰写 – 审稿与编辑。常改杰：正式分析。李晓鹏：撰写 – 审稿与编辑，监督。黄勇：监督。冯军：撰写 – 原稿撰写，调查，数据管理。杨东青：撰写 – 审稿与编辑，原稿撰写，资金获取

未引用的参考文献

[47]。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国航空科学基金会[授权号 20230011059001]、国家自然科学基金[编号 52305380]和中央高校基本科研业务费[编号 30924010829]的财政支持。