川大&西南交大联合顶刊丨热轧+电弧熔丝复合增材制造Al-Mg合金拉伸变形行为原位研究

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近日，国际顶刊Journal of Alloys and Compounds发表了四川大学廖贞助理研究员（第一作者）与西南交通大学杨冰研究员（通讯作者）合作的研究成果“In-situ investigation on tensile deformationbehavior of hybrid hot-rolled wire arc additive manufactured Al-Mg alloys”，其他合作作者为西南交通大学肖守讷研究员、四川大学江兰馨助理研究员、黄勉博士生、温威莹博士生，第一通讯单位为四川大学机械工程学院。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.177397

研究背景

Al-Mg 5xxx系列合金因其优异的耐腐蚀性、良好的焊接性和较高的强度与重量比，在航空航天、汽车及高速铁路等行业中得到广泛应用。然而，传统制造过程中，累积的应变和加工硬化导致材料的塑性显著下降，因此通常需要通过后续热处理来改善其塑性，以提高成形效率并缩短生产周期。随着增材制造（AM）技术的发展，已逐渐成为制造大规模金属部件的有力手段。但在制造高反射性Al-Mg合金部件时，选择性激光熔化（SLM）技术面临诸多挑战。

因此，电弧熔丝增材制造（WAAM）作为一种新型增材制造技术，提供了制造复杂形状、大尺寸Al-Mg合金部件的商用优势。然而，AM直接成形Al-Mg合金通常存在微观结构缺陷、成形不良和残余应力等问题，导致力学性能较传统合金较低，制约其在工业中的应用。因此，提升AM成形Al-Mg合金的力学性能，尤其是通过热轧工艺改善其拉伸性能，是当前的研究热点之一。本文通过比较WAAM与HRAM（热轧+电弧熔丝复合增材制造）两种工艺制备的Al-Mg合金的拉伸性能和微观结构演变，探讨了热轧改善拉伸性能的微观机制，并为进一步理解增材制造过程中微观结构与力学性能的关系提供了实验依据。

研究内容

混合热轧和线弧增材制造（HR-WAAM）正成为提高Al-Mg合金抗拉强度和塑性的有效方法。本论文系统地研究了HRAM Al-Mg合金在拉伸过程中的微观结构演变和强化机制。结果表明，层间热轧能有效细化晶粒，减少缺陷，促进第二相均匀析出。在较低的应变范围内，均匀分布的细晶粒有助于防止在局部区域形成高几何必要位错（GND）密度，从而降低局部应力集中。在更高的应变范围内，这种微观结构可以促进向较软取向的协调晶粒转变，减少局部微观结构的加工硬化，并允许GND在更宽的塑性变形范围内发展，从而表现出优异的应变协调能力。这些因素共同作用有助于提高材料的强度和延展性。

与传统WAAM样品相比，HRAM样品的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别提高了18 MPa、92 MPa和11%。因此，本研究为推进增材制造技术在高性能铝镁合金生产中的应用提供了新的见解和理论基础。

论文图片

图1 （a）热轧+电弧熔丝复合增材制造（HRAM）原理；（b）原位拉伸试样及加载模块；（c）原位拉伸应力—应变曲线；HRAM与其他加工工艺在Al-Mg合金拉伸性能方面的对比。

图2 原位拉伸过程中不同阶段的几何必要位错密度变化：（a1-e1）WAAM试样；（a2-g2）HRAM试样。

图3 （a）WAAM试样施密特因子；（b）HRAM试样施密特因子；（c）WAAM样品中的晶粒1拉伸过程中施密特因子变化；（d，e）HRAM样品中的晶粒2和晶粒3；（f-h）晶粒内不同位置的施密特因子。

图4 WAAM和HRAM成形Al-Mg合金微观组织的演变过程原理图。

关键结论

本研究采用WAAM和HRAM成形Al-Mg合金，探讨了热轧前后微观结构演变对强塑性提升的影响机制。主要结论如下：

（1）与WAAM相比，HRAM通过原位轧制细化了晶粒，并提高了晶粒尺寸的均匀性，从而增强了材料的强度和塑性。具体表现为：屈服强度提高了18 MPa，抗拉强度提高了92 MPa，伸长率提高了11%。

（2） HRAM样品屈服强度的提高主要源于晶粒尺寸的减小（从32.5μm降低至18.7μm），实现了细粒强化。抗拉强度的提升则归因于GND密度的增加（从1.32×10¹⁴ m⁻²升高至1.47×10¹⁴ m⁻²），带来了位错强化。伸长率的提高则是由于SF在微观结构中的分布更加均匀，减少了局部加工硬化，并有效降低了裂纹萌生的风险。

（3）与WAAM样品相比，HRAM样品的晶粒尺寸更小，且未出现异常大晶粒。这意味着，即使在塑性变形过程中出现硬取向晶粒，它们也能与周围晶粒协同，促进软取向的转变，减小局部加工硬化现象。而异常大晶粒则难以实现这种协调。

论文引用

Zhen Liao, Bing Yang, Mian Huang, Weiyin Wen, Lanxin Jiang, Shoune Xiao. In-situ investigation on tensile deformation behavior of hybrid hot-rolled wire arc additive manufactured Al-Mg alloys. Journal of Alloys and Compounds 1010 (2025) 177397.

来源：增材制造硕博联盟

大连理工刘黎明教授顶刊丨利用气孔缺陷实现电弧增材制造多孔金属创新结构

点击关注·聚焦3D打印技术👆 大连理工大学材料科学与工程学院刘黎明教授、张兆栋副教授团队与合众新能源汽车股份有限公司合作，在《Materials & Design》（中科院一区，Top，影响因子8.4）发布最新研究成果“Wire Arc Additive Manufacturing of Porous Metal Using Welding Pore Defects“，提出了一种新颖的电弧增材制造工艺来生产多孔金属（PM）。刘黎明教授与张兆栋副教授为共同通讯作者。该创新工作将有害的焊接气孔缺陷转化为有益的粉末冶金结构，然后可以逐层增材制造粉末冶金零件。将空气作为气孔促进剂转移到熔池中，以最大限度地形成焊接气孔缺陷。三线间接电弧工艺用于制造多层零件，以减少层间填充。主要优点是该工艺可以直接产生大孔结构，而不是在激光增材制造中沿着微路径沉积孔壁。孔隙均匀直径范围为500～2700μm，典型孔隙率为64%、49%和87%。该工艺可实现11.5kg/h的高沉积速率。由于马氏体的形成，孔壁可以获得超过200HV的高显微硬度。工作亮点（1）电弧增材制造(WAAM)工艺利用焊接缺陷生产多孔金属；（2）WAAM工艺可以直接生产大孔结构；（3）孔径为500～2700μm；（4）典型的孔隙率为64%、49%和87%；（5）孔壁显微硬度达到200HV以上。论文图片图1. 多空金属的WAAM示意图图2. 不同焊接条件下的焊束表面：(a) 单焊丝，(b) 带空气输入的单焊丝，(c) 带空气输入的双焊丝。图3. 三丝间接电弧增材多孔钢的微观结构关注我们, 万物皆可3D打印主要结论该工作提出了一种新颖的电弧增材制造工艺来生产多孔金属。这项创新是将有害的焊接气孔缺陷转化为有益的粉末冶金结构。该工艺的主要优点是它可以直接产生宏观孔结构，而不是在激光增材制造中沿着微路径沉积孔壁。主要发现如下。1）空气作为促进剂，转移到熔池中可以增加气孔缺陷的形成。因此，不同的焊接工艺实现了气孔的均匀分布。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！2）大沉积层可以通过双丝电弧焊工艺增材制造。单沉积层的宽度在5至10毫米之间。多孔钢的特性可以通过改变焊接参数来调节。均匀孔径在500～2700mm之间，典型孔隙率为64%、49%和87%。3）多孔钢的整体硬度在155~287HV之间，显微硬度分布显示孔壁中心硬度较高，而表面附近硬度相对较低。4）提出了三丝间接电弧焊来制造多层结构。形成了一种新的焊缝结构，薄壁覆盖下面的多孔钢。TWIW可以实现高达11.5kg/h的高沉积速率。5）主要晶粒生长发生在垂直方向(z)，与热能梯度相对应。马氏体是沉积形成的主要相论文引用Ren D, Ba X, Zhang Z, et al. Wire Arc Additive Manufacturing of Porous Metal Using Welding Pore Defects[J]. Materials & Design, 2023: 112213. 来源：增材制造硕博联盟