山东省科学院激光研究所丨2319铝合金的摆动激光束熔丝沉积增材制造

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Xujian Cui, Enyu Qi, Zhonggang Sun, Chuanbao Jia, Yong Zeng, Shikai Wu. Wire oscillating laser additive manufacturing of 2319 aluminum alloy: optimization of process parameters, microstructure, and mechanical properties. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2022.

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2022.100035.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772665722000228‍

研究背景及目的

高强铝合金的丝材沉积有着效率高、成本低的优点，目前高强铝合金的丝材沉积以WAAM为主，但是存在热输入量大和气孔的问题。激光沉积有着热输入低的优点，但是普通的WLAM成形难度大、气孔率高。为了解决高强铝合金丝材沉积热输入量大和成形困难的问题，寻找新的工艺解决方案，以2319铝合金为材料进行摆动激光熔丝沉积试验（O-WLAM）。

论文亮点

（1）本文提出了摆动激光熔丝沉积（O-WLAM）2319铝合金的方法，通过优化工艺获得了成形良好的样品。

（2）研究了圆形摆动模式下所得样品的成形、微观组织和力学性能

（3）对样品进行热处理，对比研究了热处理对样品微观组织和力学性能的影响

试验方法

本文使用摆动激光熔丝沉积2319铝合金丝材。通过对比圆形、“∞”、“8”、直线形和不摆动五种模式下单道沉积的成形，研究了摆动激光参数、搭接率和多层沉积时的成形，经工艺参数优化得到了良好的沉积参数。对样品进行热处理，对比研究了沉积态和热处理态下的微观组织和力学性能。

结果

（1）在圆形摆动模式下，单道沉积的成形最好且单位体积的热输入量最小，为12.4J/mm3，远小于光斑不摆动时。

（2）随着搭接率从30%增加到70%，单层沉积的成形由内凹向内凸转变，在50%时获得成形最平整的沉积层。当进行多层沉积时，样品在沉积三层时稳定，约2.2mm。

（3）通过工艺参数优化，在P=2000W，Vscan=Vwire=1.2m/min，f=150HZ，A=1.0mm，搭接率为50%，光斑位置升量0.7mm条件下获得样品尺寸为120mm×32mm×10mm的沉积试块。

不同激光沉积参数的影响

沉积样品宏观形貌

（4）沉积态样品沉积单元间存在明显分界线，沉积单元内部以柱状晶为主，界面处和内部存在等轴晶带。晶界处析出大量共晶组织。沉积样品的硬度均值为87HV，抗拉强度的均值为260MPa，断裂由微孔聚合断裂主导。

沉积样品的显微组织

（5）热处理态样品的沉积单元分界线不明显，经重结晶后晶粒长大约50%，内部的等轴晶带消失。第二相大量溶解，组织更加均匀。显微硬度均值为153HV，抗拉强度均值为431MPa。断裂由解理断裂主导。

沉积和热处理样品的力学性能测试结果

沉积和热处理样品的断口形貌

结论

(1) 通过工艺参数优化，在圆形光斑摆动、搭接率为50%、光斑位置升量0.7mm的条件下，获得了表面光滑平整、无明显缺陷的沉积样品，气孔率低于1%。

(2) 沉积态下道次分界明显，单元内部以柱状晶为主，夹杂少量的等轴晶带，界面处以等轴晶为主。晶界处存在大量共晶组织，晶内存在点状Al2Cu相。热处理后，组织更加均匀，共晶组织溶解明显，晶界处有新析出和残余的在q′相。

(3) 热处理后，显微硬度均值提升近一倍，抗拉强度提高了60%以上。较WAAM获得的2319铝合金的抗拉强度提升10%，同时延伸率也更加优异。断裂形式均为复合型断裂，主导断裂形式由微孔聚合型断裂转变为解理断裂。

前景与应用

本文提出了O-WLAM沉积铝合金的方法，为解决高强铝合金的丝材沉积过程中高的热输入量和成形困难、气孔率高的问题，提供了一种新的方法和思路。

团队带头人介绍

吴世凯，男，副研究员，2010年于北京工业大学光学工程学科获工学博士学位，毕业后留校工作。2019年9月调入中国科学院上海光学精密机械研究所激光智能制造研究中心，2021年3月引进到齐鲁工业大学（山东省科学院）。曾任北京工业大学激光工程研究院副院长，跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室副主任。主要研究方向为先进材料激光焊接技术、激光电弧复合焊接技术及激光增材制造技术。先后承担国家自然科学基金面上项目（3项）、北京市自然科学基金面上（2项）、国家科技重大专项（04专项）、国家“863计划”及企业委托科研课题等10余项。在Weld. J.、Sci. Technol. Weld. Join.、J. Nucl. Mater.、Int. J. Fatigue、J. Laser Appl.、Laser Phys. Lett.、Opt. Laser Technol.等权威期刊及重要学术会议上共发表论文90余篇、其中SCI/EI收录70余篇，授权国家发明专利9项，软件著作权3件。获省部级一等奖2项、二等奖1项。

团队研究方向

激光束熔丝增材制造（WLAM）技术

近年团队发表文章

[1] Shikai Wu*, Can Wang, Zhongxiu Li, Peng Wen, Song Zhang,Zhendong Mao, Xiaohui Han.Effect of Nb micro-alloying on microstructure and properties of A7204-T4 aluminum alloy joints with fiber laser-VPTIG hybrid welding. Welding in the world,2020,64(9):1459-1469.

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来源：机械工程学报

来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2023-03-19