通过混合WAAM-FSP方法利用梯度微观结构提高2319铝合金的机械性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhancement of mechanical properties of 2319 aluminum alloy via gradient microstructure using hybrid WAAM-FSP approach

采用WAAM与FSP复合制造技术制备2319铝合金梯度显微结构构件，FSP显著细化粗柱状晶粒至4.52μm，动态再结晶率达87%以上，形成WAAM区-过渡区-FSP区梯度结构。实验表明该结构使硬度提升至94.0 HV0.2，FSP区屈服强度达169.6MPa，同时保持与WAAM构件相当的抗拉强度和延伸率，冲击韧性提高6.7%。微观机制分析表明梯度结构通过优化位错密度、析出相分布及裂纹扩展路径，实现强度与塑性的协同优化。

　　

海谷|熊静星|孙中刚|梁祖雷

中国江苏省南通市南通理工学院机械工程学院

摘要

高强度铝合金是航空航天领域中至关重要的轻质结构材料，但传统的制造方法面临诸如气孔、裂纹和无法控制的沉淀相等问题，这些问题限制了它们的机械性能。增材制造（AM），特别是电弧丝材增材制造（WAAM），为制造大型铝合金部件提供了一种高效的方法。然而，强度-塑性之间的权衡仍然是一个关键限制因素。本研究提出了一种结合WAAM和摩擦搅拌加工（FSP）的混合增材制造技术，用于制造具有梯度微观结构的2319铝合金。结果表明，FSP显著细化了WAAM产生的粗大柱状晶粒，使平均晶粒尺寸从18.54 μm减小到4.52 μm，并促进了动态再结晶，再结晶比例超过87%。形成了由WAAM区域、过渡区域和FSP区域组成的梯度微观结构，从而提高了变形适应性和抗裂性能。与WAAM试样相比，WAAM/FSP试样的硬度分布更高且更均匀，硬度从平均85.6 HV_0.2增加到平均94.0 HV_0.2。在拉伸变形过程中，FSP区域的屈服强度显著提高至169.6 MPa，而WAAM区域的屈服强度为110.7 MPa，同时保持了相似的极限抗拉强度和伸长率。与WAAM试样相比，WAAM/FSP试样的冲击韧性也有所提高，冲击韧性从9.9 J/mm2增加到10.63 J/mm2。断裂分析显示，FSP显著改变了断裂行为，导致裂纹传播更加曲折，表现出更明显的塑性断裂特征，凹坑形态更加均匀，气孔率降低。Al?Cu沉淀物的破碎和重新分布以及位错密度的增加，通过沉淀强化和位错强化进一步提高了机械性能。

引言

由于其轻质、高强度、良好的焊接性、优异的高温性能和耐腐蚀性，高强度铝合金已成为航空航天领域中轻质和高载荷结构的关键材料[1]、[2]。然而，传统的制造方法无法满足复杂铝合金部件一体化制造的需求。此外，传统制造方法生产的铝合金容易产生气孔和裂纹[3]，且沉淀相无法控制。增材制造（AM）由于其逐层沉积、高设计灵活性和接近净形的制造能力，为复杂铝合金部件的一体化制造提供了革命性的解决方案。在这些技术中，电弧丝材增材制造（WAAM）由于沉积效率高、成本低且适用于铝合金，已成为制造大型铝合金部件的有前景的技术[4]。然而，先前的研究表明，WAAM制造的铝合金仍然普遍存在粗大柱状晶粒、气孔缺陷、元素偏析、各向异性以及由于定向凝固和重复热循环引起的异质沉淀，这些因素严重限制了其综合机械性能，限制了其在结构中的应用[5]。

提高铝合金强度的常用方法包括添加陶瓷增强颗粒[6]、[7]、[8]和合金元素[4]、[9]、[10]。添加陶瓷增强颗粒的强化机制包括分散强化和晶粒细化。陶瓷颗粒会阻碍位错运动，迫使位错绕过或穿过颗粒，从而提高屈服强度[11]。晶粒细化通过工艺控制实现，形成细晶粒结构并增加晶界数量[12]。合金元素也能通过固溶强化等机制增强铝合金的强度。溶质原子溶解在铝晶格中，导致晶格畸变并阻碍位错运动[13]。此外，某些合金元素可以与铝基体形成二次相沉淀物，从而实现沉淀强化。但这些方法往往会降低铝合金的塑性[10]，导致强度-塑性之间的权衡。

梯度结构的设计和制造为上述问题提供了一种新的解决方案。现有研究表明，各种表面处理方法，如喷丸、高压扭转、超声表面滚压和电沉积，可以在材料表面形成梯度纳米晶粒结构。与纳米晶粒结构或纳米晶粒与粗晶粒结构的混合物相比，具有梯度纳米晶粒结构的材料表现出更好的强度-塑性匹配、抗裂性能和疲劳性能[14]、[15]。表面的纳米晶粒结构可以显著提高材料的强度和硬度，而内部的粗晶粒结构则保证了良好的塑性和韧性。梯度结构的设计使得材料在受力时应力分布均匀，从而抑制裂纹的起始和传播，提高疲劳性能。Gao等人[14]通过沉积纯Cu制备了高度可调的梯度孪晶结构，其整体强度甚至超过了结构中最强组件的强度，大大提高了强度-韧性匹配。然而，对于铝合金而言，大多数报道的梯度结构主要是通过表面严重塑性变形或表面改性途径实现的，而不是通过可控的三维微观结构设计在整体部件中实现的。例如，Meng等人通过表面机械磨损处理（SMAT）在5182铝合金中制备了纳米晶粒表层和梯度纳米结构，并表明表面诱导的梯度结构改变了Portevin–Le Chatelier行为。然而，改性区域基本上仅限于近表面层[16]。同样，Oh等人通过超声纳米晶粒表面改性（UNSM）制备了梯度结构的铝合金，并报告了强度和塑性的提高，但梯度结构仍然是通过表面机械处理引入的，而不是通过整体部件的厚度调节[17]。尽管这些方法对于生成梯度层和改善局部性能有效，但它们并未完全解决WAAM铝合金中的关键科学问题，即如何在大块沉积中刻意构建稳定的厚度梯度微观结构，以及这种梯度如何调节综合的强度-塑性-韧性响应。

此外，场辅助金属增材制造也可以用来控制微观结构和机械性能[18]，例如通过超声波振动[19]、[20]、磁场[21]、[22]来影响熔池流动和凝固过程。机械场辅助增材制造在优化机械性能和制造效率方面显示出独特的优势。Huang等人[23]通过电弧丝材增材制造并结合层间锤击处理制备了2319铝合金，实现了晶粒细化，并提高了屈服强度和极限抗拉强度。然而，现有的机械场辅助增材制造在熔池中的变形有限且应力分布不均匀，导致铝合金微观结构调节不足，仍然难以实现精确的梯度结构构建和强度与塑性的协同提高[5]。

摩擦搅拌加工（FSP）是一种固态技术，通过搅拌工具与工件表面的摩擦引起固态强塑性变形（SPD）[24]、[25]，并通过动态再结晶过程形成超细等轴晶粒并消除气孔等缺陷[26]、[27]。FSP与WAAM的结合引起了广泛关注[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。Dai等人[34]结合FSP和WAAM制备了具有超细晶粒、等轴晶粒和柱状晶粒梯度分布的2319铝合金。这种方法实现了晶粒细化，将动态再结晶量提高了62%，使屈服强度、抗拉强度和伸长率分别提高了32.22%、8.75%和20%，揭示了强度和塑性协同提高的主要机制，为高性能铝合金的设计提供了理论指导。最近的研究证实，WAAM结合层间FSP可以有效细化晶粒、减少气孔并提高铝合金的抗拉强度、塑性和疲劳性能[32]、[35]、[36]。然而，大多数现有研究主要集中在局部晶粒细化和与拉伸相关的性能提升上，而不同区域梯度微观结构的演变及其对综合机械性能的影响尚未得到充分理解。

尽管取得了这些进展，但仍有一些关键科学问题尚未得到充分理解。首先，WAAM制造的2319铝合金中可控厚度梯度微观结构的形成尚未完全明确。其次，不同区域中的晶粒细化、动态再结晶、沉淀相演变和气孔减少之间的关系尚不清楚。第三，这些异质微观结构特征如何共同影响硬度、拉伸行为和冲击韧性尚未系统建立。因此，本研究旨在通过WAAM/FSP混合工艺制备具有梯度微观结构的2319铝合金，并阐明其背后的过程-结构-性能关系。特别是，本研究重点关注层间FSP如何改变不同区域的晶粒结构、再结晶行为、沉淀相演变和断裂机制，以及这些微观结构变化如何协同提高机械性能。

设备与材料

实验使用了电弧丝材增材制造（WAAM）系统和摩擦搅拌加工（FSP）系统。WAAM沉积在WAAM机器（CMT Advanced 4000R）上进行，如图1(a)所示，FSP实验使用龙门式搅拌摩擦焊机（FSW-LM-BL20-2D）进行，如图1(b)所示。所用基材为300 mm×150 mm×15 mm的2319铝合金轧制板材。焊接过程中使用了直径为1.2 mm的ER2319铝合金丝材。

WAAM/FSP 2319铝合金的微观结构

如图3所示，OM和SEM图像显示WAAM/FSP试样不同区域的微观结构存在明显梯度。WAAM区域的特征是粗大的柱状晶粒，这是WAAM过程中定向凝固行为的典型表现。这种微观结构主要是由于熔池中的高热梯度和方向性热流促进了沿生长方向的外延晶粒生长。此外，有限的异质性...

工艺-结构-性能

WAAM/FSP 2319铝合金的机械性能受到WAAM/FSP混合工艺生成的梯度微观结构的密切控制。如图3所示，WAAM区域的特征是粗大的柱状晶粒，而FSP区域则呈现均匀的细等轴晶粒结构，两者之间有一个明显的过渡区。这种梯度结构特征为机械性能的差异提供了根本的微观结构基础。

结论

本研究通过WAAM/FSP混合增材制造技术制备了具有梯度微观结构的2319铝合金，实现了晶粒细化和机械性能的提高。揭示了沉淀物的演变和断裂机制。主要结论如下：

• 1.
  FSP有效细化了WAAM过程中形成的粗大柱状晶粒，使平均晶粒尺寸从WAAM区域的18.54 μm减小到FSP处理区域的4.52 μm，代表了...

作者贡献声明

孙中刚：项目管理、方法论、概念化。熊静星：撰写——原始草稿、调查、正式分析。海谷：验证、监督、资源。梁祖雷：撰写——审稿与编辑、验证、软件。

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

本工作得到了江苏省优秀科技创新团队（SJK2023-3）、江苏省重点研发计划（项目编号BE2023026）、青兰项目（SJSH2025-16）、江苏省高等教育机构基础科学（自然科学）研究项目（24KJA460007）、南通市自然科学项目（MSZ2024034、JC2023059、JCZ2023001）以及NIT科技创新基金（KCTD005）的财政支持。