基于冷金属转移的定向能量沉积（DED）技术在Al-Zn-Mg-Cu合金制备过程中，工艺稳定性受沉积速度的影响，同时沉积微观结构与材料性能之间存在密切关系

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Travel speed-dependent process stability and forming-microstructure-property relationships in cold metal transfer-based directed energy deposition of Al-Zn-Mg-Cu alloy

　　• 在线弧焊接（WAW）中，CMT电弧稳定性和熔池动力学是相互耦合的。• 优化的行进速度可以抑制纵向的Marangoni对流。• 在最佳速度下，更高的热梯度能够均匀地细化等轴晶粒。• 当行进速度为0.4米/分钟时，孔隙率可降至0.06%的最低值。• 最佳的热流体行为决定了最终的拉伸性能。

引言
线弧定向能量沉积（DED）为构建和修复大型金属结构提供了一条实用的途径，因为它能够实现快速的材料堆积、高效利用原料，并且所需的设备相对简单[1],[2]。与传统锻造和基于粉末的增材制造方法相比，WAW在成型效率和生产成本方面具有显著优势，使其成为全球航空航天、运输和海洋设备行业中制造大型承载轻质部件的主要候选技术[3]。铝合金特别适合这种工艺，因为它们密度低且广泛用于轻质结构。然而，这一工艺仍面临一些挑战，包括有限的成型精度、严重的热累积、不稳定的熔滴几何形状以及不均匀的微观结构[4],[5]。在加工Al-Zn-Mg-Cu合金时，这些限制尤为明显，因为这类合金是航空框架、汽车底盘和其他安全关键轻质部件的重要材料，它们具有出色的比强度和沉淀硬化能力[6]。用WAW替代传统的锻造或机械加工方法可以大幅减少材料浪费，缩短供应链，并提高集成结构的设计灵活性。尽管如此，由于Al-Zn-Mg-Cu合金具有快速的热传导性、宽的凝固区间和对热敏溶质元素的敏感性，使其在WAW加工过程中熔池对热历史的变化非常敏感[7],[8]。这种敏感性经常引发熔池振荡、孔隙形成、不均匀的晶粒发育以及不一致的机械性能[9],[10]。因此，系统地揭示全过程参数、多物理场熔池演变和最终机械性能之间的联系对于克服高强度铝合金增材制造的质量瓶颈至关重要。

冷金属转移（CMT）已成为铝合金WAW的首选电弧模式，因为其周期性回抽的焊丝运动有助于限制热量传递并调节短路转移过程中的熔滴脱离[11],[12]。与传统MIG/GMAW工艺不同，CMT工艺的电流-电压波形很大程度上受选定的电气设置控制，而CMT工艺与焊丝运动和熔池行为紧密耦合。在CMT沉积过程中，填充焊丝相对于熔池进行反复的前后运动，从而实现可控的短路和熔滴释放[13],[14]。因此，电流和电压波形不仅是电气输出，也是焊丝在每个转移周期内与熔池交互方式的间接指标。熔池高度的变化、表面波动和局部接触位置可能会改变短路持续时间、电弧燃烧阶段和转移周期。因此，基于CMT的WAW中的波形稳定性与熔池形态和金属转移行为密切相关[15],[16]。Dou等人[17]发现，在2319铝合金的WAAM过程中，熔滴转移行为（如转移频率和模式）的变化直接影响熔池自由表面和液位波动，而这些熔池形态的变化又影响到短路转换的规律性，进而反映在电流和电压波形的稳定性上。Chen等人[18]报告称，在CMT焊接低碳钢时，波形稳定性对提升持续时间设置非常敏感。当提升持续时间偏离最佳范围（1.6-3.6毫秒）时，CMT循环和短路时间的周期性分布变得分散，表明不稳定的金属转移和不规则的熔池接触直接导致电气波形不稳定。Wang等人[19]研究了7075铝合金的AC-CMT焊接过程，建议减小EP-CMT提升电流可以有效抑制熔滴爆炸并稳定金属转移。这种稳定作用消除了不规则的短路事件和熔池飞溅，使得连续循环中的电流/电压波形更加一致。

行进速度是另一个控制CMT电气响应与熔池行为耦合的关键参数。在恒定焊丝送进速率（WFR）下，较低的行进速度会增加单位长度的能量输入和沉积金属体积[20],[21]。这会增大熔池尺寸，提高液位，并加剧表面波动[22]，干扰焊丝与熔池的接触，导致CMT循环不稳定和金属转移不规则。相反，较高的行进速度会减少单位长度的沉积体积和热累积[23]，形成更小且更稳定的熔池，从而提高焊丝与熔池接触的重复性以及金属转移的稳定性。因此，行进速度不仅影响宏观形态和热历史，还影响电气波形的稳定性和整体工艺动态。

现有的关于铝合金WAW的研究主要探讨了工艺参数如何影响沉积几何形状、热输入、孔隙缺陷、晶粒结构和机械性能。例如，Cai等人[24]发现，提高行进速度可以细化晶粒尺寸并减少Al-Zn-Mg-Cu合金中的部分熔化区域。Dou等人[17]建立了2319铝合金WAW中熔滴转移稳定性与侧壁几何精度之间的直接联系。Fu等人[25]表明，热丝预热可以将孔隙率降低50%以上，同时保持熔滴的稳定性，而Pai等人[26]优化了工艺参数以获得更细的等轴晶粒和 improved的拉伸强度。这些研究为工艺优化提供了宝贵的指导。然而，行进速度的作用通常主要从宏观热输入的角度进行讨论[27]，其中间物理联系仍不清楚。特别是，CMT电气波形稳定性、金属转移行为、熔池热流演变、凝固参数和最终成型质量之间的耦合关系尚未充分建立，这限制了我们对为什么特定行进速度能够同时提高成型精度、微观结构均匀性和机械性能的理解。

熔池是工艺参数与最终部件质量之间的直接桥梁。热场决定了熔池形态和层间重熔，而流场影响液体扩散、自由表面波动和侧壁稳定性。此外，正如Yang等人[28]所报告的，熔合界线周围的局部热梯度和界面迁移速率决定了凝固环境，进而影响晶粒发育和冷却行为，所有这些最终决定了沉积物的形态、晶粒结构、纹理和机械性能。因此，对CMT工艺稳定性、熔池行为和凝固特性的综合分析是必要的。几项数值研究对此有所贡献：Cadiou等人[29]开发了一个三维多物理场模型，捕捉了完整的熔滴转移周期，提供了焊丝与熔池相互作用的物理一致性描述。Pan等人[30]通过二维耦合模型比较了CMT和GMAW模式，证明了CMT具有20毫秒的完整周期的短路转换现象。Wang等人[15]研究了7075铝合金在CMT-PADV下的行为，发现周期性电流极性切换会导致短路转移和喷射转移相结合的混合模式。尽管有这些进展，现有的关于行进速度的数值工作主要集中在热累积和熔池尺寸上[31]，而行进速度对CMT波形稳定性、金属转移行为和凝固质量的耦合效应仍大多未得到解决。

在本研究中，采用基于CMT的WAW工艺在不同行进速度下加工了Al-Zn-Mg-Cu合金样品。该研究旨在阐明行进速度如何改变转移稳定性、熔池热流行为、凝固条件和最终部件质量的耦合演变。这项工作的独特贡献在于四种互补方法的协同整合，包括实时电气信号分析、熔滴动力学的高速成像、热流和流体流动的三维瞬态数值模拟，以及沉积后的形态、纹理、缺陷和机械响应的系统性表征。这种综合策略旨在揭示传统单一维度研究无法捕捉的中间物理联系，从而解释为什么调整行进速度可以同时影响几何精度、晶粒结构均匀性和机械可靠性。预期这些发现将为特定合金的加工提供指导，并为其他WAW应用中的原位工艺特征建立提供可转移的方法论参考。

材料、设备和沉积程序
使用了直径1.2毫米的商用7075铝合金焊丝作为原料，7075-T6铝合金板（250毫米×50毫米×6.35毫米）作为基材。图1中的WAW平台包括Fronius CMT Advanced 4000电源、ABB IRB 2600ID工业机器人、工作台、预热板和支持软件。在每次沉积实验之前，基材表面均经过研磨以去除油污和氧化膜。

宏观形态和成型精度
本节系统地阐明了在恒定WFR条件下，行进速度范围为0.2至0.6米/分钟时沉积组件的宏观形态和成型精度的演变。图7和图8展示了使用不同行进速率（0.2-0.6米/分钟）制造的打印部件的宏观截面（YOZ平面）和侧壁（XOZ平面）形态。在相对较低的行进速度（0.2米/分钟）下，单位长度的过度沉积体积与...

结论
本研究通过整合实验观察和数值建模，建立了行进速度、CMT电气稳定性、熔池行为以及基于CMT的WAW方法制造的Al-Zn-Mg-Cu合金沉积物最终质量之间的关系。主要结论如下：
(1) 提高行进速度可以减少单位长度的热输入，缩短熔池寿命并降低Marangoni对流强度。这抑制了表面...

作者贡献声明
Lin Wang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念化。
Chuansong Wu：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念化。
Maoai Chen：撰写 – 审稿与编辑、方法论。
Hao Deng：研究、正式分析。
Qikuan Zhao：验证、数据管理。
Dongsheng Wu：验证、软件、正式分析。
Xue Li：可视化、研究、数据管理。
Ji Chen：验证、研究、资金获取。

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
作者感谢中央高校基本研究基金（编号2024QN11047）和中国国家自然科学基金（授权号52475373）提供的财务支持。

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