西交卢秉恒院士顶刊丨新型高性能钛纤维增强铝合金增材制造，性能大幅提升！

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5xxx铝合金由于其良好的焊接性和耐腐蚀性等多种优点，在不同的工业领域得到了广泛应用。然而，与2xxx和7xxx对应的合金相比，它们的强度较低，限制了其在高负荷条件下的应用。

为了改善增材制造的Al5183铝合金的力学性能，西安交通大学卢秉恒院士团队在增材制造顶刊《Additive Manufacturing》上发表题目为Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy 的研究文章，首次利用基于金属丝材的定向能量沉积增材制造（DED-arc）采用双线供给系统制造了钛纤维增强铝（TFRA）组件。通过精确控制钛合金线的沉积路径和电弧热输入，保持了钛纤维的固态状态。钛合金线与铝合金基体之间的界面厚度约为3-10微米，具有渐变的化学成分过渡，没有明显的裂纹倾向。

论文原文下载见本文末

结果显示，与没有增强纤维成分的铝组件相比，添加10.5%体积分数的钛纤维之后，TFRA组件的屈服强度和抗拉强度分别提高了124%和33%。同时，其冲击能量从原始值的7.9 J增加到18.0 J，增加了128%。通过混合法理论对增强的强度进行了分析，并通过有限元模拟进行了验证，发现TFRA组件冲击性能的提高是因为铝基体中的裂纹传播被钛纤维阻挡。因此，这项工作为通过DED-arc制造具有连续纤维的高强度铝合金提供了一种有前景的途径。

图1 (a) 电弧双丝纤维增强添加工艺原理的示意图; (b) 电弧双丝纤维增强添加装置的实物图; (c) 焊枪振动模式的示意图; (d) TFRA组件中Al5183和Ti64纤维的X射线测试结果

图2 TFRA取样的示意图 (a) TFRA沉积体; (b) 冲击样本; (c) 金相样本; (d) 拉伸样本; (e) 密度测试样本

图3 有限元模型和边界条件

图4 金相结构的机制图解 (a) 宏观形态; (b) 纤维增强钛合金线材和铝合金基板的封闭形态; (c) 线材中晶粒微观结构的差异示意图

图5 线材上、中、下位置界面的SEM和EDS图 (a)、(d) 和 (g) 分别为线材上、右、下侧与铝合金基板的界面，没有任何裂纹或未熔化的缺陷。图5(b)、(e) 和 (h) 分别是上、中、下区域的局部放大细节；图5(c)、(f) 和 (i) 是各区域元素组成的线扫描

图6 原始Ti64、制造中的Al5183铝合金和TFRA的IPF图像；(a) 原始Ti64线；(b) Al5183铝合金沉积；(c) TFRA沉积的上部分（区域I + 部分区域II）；(d) TFRA沉积的下部分（区域II）；(e) TFRA沉积上部分区域I的部分界面区域；(f) TFRA下部分区域II的部分界面区域

图7 铝合金上部和下部的极坐标图（a）铝合金上部（b）铝合金下部

图8 Ti64合金的极坐标图 (a) 原始线材；(b) 钛合金线的区域I；(c) 钛合金线的区域II

图9 (a) Ti64、Al5183沉积和线材添加TFRA的拉伸（应力-应变）曲线；(b) 5系列铝合金弧焊或线材添加材料的拉伸性能

图10 (a) Al5183和TFRA的摆锤冲击结果图；(b) TFRA在冲击过程中的示意图

图11 (a) TFRA拉伸样品的断口形貌；(b) 铝合金基体的断口形貌；(c) 钛合金线材料的边缘过渡区域；(d) 钛合金线材纤维区-辐射区的形貌；(e) 钛合金线材的纤维区形貌；(f) 钛合金线材的辐射区形貌

图12 TFRA样品冲击试验结果的形貌 (a) 冲击样品的断口形貌；(b) 断裂的线材的断口形貌；(c) 相应的组分扫描分布；(d) Ti分布；(e) Al分布；(f) V分布；(g) Mg分布

图13 由拉伸试验获得的工程应力-应变曲线

在这项研究中，采用基于CMT的DED-arc成功制备了钛合金纤维增强铝合金（TFRA），并且这些组件的强度和冲击韧性得到了显著提高。根据这项研究的结果，可以得出以下结论：

1) 利用基于CMT的DED-arc和双线送丝系统成功制造了稳定而均匀的钛纤维增强铝合金组件。在沉积过程中，通过精确控制钛合金线的供给路径和电弧热输入，保持了钛合金线的固态状态。

2) 钛合金线与铝合金基体之间的界面厚度约为3-10微米，具有渐变的化学成分过渡，没有明显的裂纹倾向。通过振荡模式，避免了在CMT-based DED-arc过程中形成厚的脆性金属间相。

3) 与未增强的DED-arc铝组件相比，添加10.5%体积分数的钛纤维，TFRA组件的屈服强度、抗拉强度和比强度分别增加了124%、33%和25%。同时，延伸率保持在20%的数值，与铝合金组件板的性能一致。通过混合法理论和有限元分析验证，改善的材料性能主要归因于引入的钛增强纤维。

4) 与未增强组件相比，TFRA组件的冲击能量大幅提高（128%）。这是因为钛纤维阻挡了铝基体的裂纹传播，在冲击过程中吸收了大量的冲击能量。

来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2024-02-25