引用论文

Yubin Zhou, Yuan Zhao, Zewu Qi, Baoqiang Cong, Hongwei Li, Zhijun Wang, Jintao Ding, Chaofang Dong, Haibo Wang, Bojin Qi, Multi-physical Field Simulation for Quasi-in-situ Evolution of Porosity and Microstructure in WADED 2024 Aluminum Alloy, Chinese Journal of Mechanical Engineering, 100300,

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关于文章

01

研究背景及目的

丝材电弧定向能量沉积技术（WADED）具有沉积速率高、材料成本低以及结构完整性好等特点，在制备大尺寸中等复杂度构件方面具备独特优势，由其制备的铝合金构件可实现柔韧性和轻量化之间的兼容性。WADED 2024 铝合金在航空航天领域金属部件的原位修复及增材制造方面具有重要的应用潜力，在这种情况下增材沉积层和基体需要作为整体部件使用。然而过渡层中的内部缺陷和异质微观结构常会降低构件的性能。因此需要针对丝材电弧定向能量沉积中构件过渡层的的熔池行为以及缺陷与微观组织的准原位演变行为展开研究，为航空航天领域金属零件原位修复和增材制造技术的应用提供支持。

02

试验方法

北京航空航天大学机械工程及自动化学院齐铂金教授团队通过丝材电弧定向能量沉积技术制备了WADED 2024铝合金阶梯构件及薄壁件，并将热输入参数逐层减小的第1-6沉积层定义为过渡层(阶梯构件)，将工艺参数稳定的7-70层定义为稳定层,其是薄壁构件的主要组成部分。丝材电弧定向能量沉积原理图、阶梯构件和薄壁构件示意图如图1所示。通过光学显微镜OM、扫描电子显微镜SEM、电子背散射衍射EBSD、X射线衍射XRD、力学性能测试等手段对过渡层及稳定层的气孔缺陷、微观组织、力学性能展开研究。结合计算流体流动模型(CFD)来建立熔池介观物理场(流场、温度场)，以描述丝材电弧定向能量沉积过程中熔池的行为，并对比WADED数值模拟与实验构件的层高层宽数值来验证模拟准确性，数值模拟与实验结果一致性良好。通过逐层探究熔池物理场演变规律，揭示在丝材电弧定向能量沉积过程中气孔缺陷与微观结构的准原位演化机理。

图1 WADED原理图、WADED2024铝合金阶梯构件和薄壁构件

03

结果

第1-6层截面上的准原位气孔演变如图2所示。在第1层间处展现出气孔聚集状态(PA)。第2层层间的孔隙率和气孔数量相比于第1层较低。孔隙大小和孔隙率随沉积层累积而减小，并在第5层层间形成气孔弥散区(PD)，第6层层间气孔以微孔形式存在。

图2 第1−6层气孔分布特征

第1-6层流场如图3所示，沉积过程中液桥区出现顺时针向下的涡流，熔池后部出现逆时针向上涡流(主导地位)，其有利于气泡的逃逸。随层数累积，流速增大，为气泡向上逃离熔池提供了更大的驱动力。

图3第1−6层XOZ面流场

在图4中微观结构在基板侧呈现细小等轴晶（EG），在第一层底部呈现出柱状枝晶(CDG)与等轴晶的混合区CDG/EG。第2层沉积后，原第1层顶部区域的细等轴晶被重熔并生长为粗等轴晶，层中区域出现CDG/EG。随着沉积累积，各层的高G/R区减小，CDG生长被限制(图5)。

图4 第1−6层微观组织特征

图5 第1−6层横截面G, R, and G/R值分布

图6为稳定层的EBSD、SEM和XRD结果，微观组织主要由细等轴晶组成，平均晶粒直径为57.65 μm，无明显织构。晶界处的相为S-Al2CuMg。晶粒内部较小的针状相为θ-Al2Cu。

图6 稳定层(a) EBSD, (b) XRD, (c) SEM结果

图7为过渡层及稳定层的力学性能，1-4层层间的硬度较低，5-6层的显微硬度波动范围减小。稳定层硬度相对均匀，平均值为95.67 HV0.2，水平方向上的UTS为249.62 MPa， YS为145.71 MPa，伸长率为~ 4.03%，表现出优异的各向同性。

图7 (a)第1−6过渡层(b)稳定层硬度；(c)(d)稳定层拉伸性能

04

结论

(1) 随着沉积层累积，熔池流速增加，有利于气泡逸出，过渡层的层间区域气孔聚集得到改善。

(2) 过渡层微观结构在层中表现为柱状晶/等轴晶，在层中表现为粗等轴晶。随着G/R比的减小，由层中至顶部区域发生柱状晶/等轴晶转变。由于高G/R比值区域的下降，各层中柱状晶含量随着层的沉积而降低。

(3) 过渡层层间由于气孔和粗大等轴晶，显微硬度较低。随沉积层累积，层间孔隙率降低，硬度波动减小。

(4) 稳定层孔隙度为0.158%，微观组织为等轴晶及少量柱状晶，显微硬度分布均匀，平均值为95.67 HV0.2。构件拉伸性能UTS为~ 249.62 MPa，YS为~145.71 MPa，伸长率为~ 4.03%，表现出各向同性。

05

前景与应用

增材制造在实现复杂结构金属构件成形和性能调控方面具有卓越优势。丝材电弧定向能量沉积(WADED)作为增材制造技术之一，具有沉积效率高、可实现大尺寸构件集成制造等优点。由其制备的WADED 2024铝合金构件可实现柔韧性和轻量化之间的兼容性，在航空航天工业中具有重要应用潜力。然而在航空航天领域金属部件的原位修复和原位增材制造应用需求下，增材沉积层和基体需要作为整体部件使用。本研究创新地揭示了WADED 2024 铝合金构件过渡层中孔隙和微观结构的准原位演变机理，为改善过渡层中的内部缺陷和异质微观结构提供指导，为航空航天领域金属零件原位修复和增材制造技术的应用提供支持。

关于作者

01

作者团队介绍

齐铂金，北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授，博士生导师，中国机械工程学会焊接学会理事。长期致力于焊接工艺及设备、先进电源变换技术及应用等方面的研究工作。主持国家863计划、国家自然科学基金以及科技重大专项等课题。研发的航天返回舱焊接工艺装备、航空导管高频感应钎焊技术装备、超音频脉冲方波电弧焊接数字化电源装备及新工艺、焊接/增材制造用电子束源装备等成果，成功应用于我国空天领域多个产品的生产制造，获多项省部级科技奖励，授权发明专利30余项。

祁泽武，北京航空航天大学机械工程及自动化学院副教授。主持国家自然科学基金青年基金项目、先进焊接与连接国家重点实验室基金项目等，在国际权威期刊Additive Manufacturing、Virtual and Physical Prototyping、Journal of Materials Science & Technology发表论文多篇，发明专利多项。中国机械工程学会焊接分会青年委员。研究方向：增材制造（3D打印）工艺与装备；智能焊接工艺与装备；弧焊/修复/增材系统集成。

周豫斌，北京航空航天大学机械工程及自动化学院博士研究生，研究领域：稀土/颗粒复合增强铝合金电弧增材制造技术；流场/温度场模拟仿真；力学性能/腐蚀行为评价；电弧增材镍基合金制造技术研究。以第一作者在Virtual and Physical Prototyping、Journal of Materials Science & Technology等国际权威期刊发表论文多篇，参与国自然联合基金重点支持项目、国家自然科学基金、先进焊接与连接国家重点实验室基金项目等项目。获第九届焊接科学与工程国际会议（WSE2023）、2024智能焊接与增材制造研究生国际论坛优秀报告等多项荣誉。

赵源，北京航空航天大学机械工程及自动化学院博士生，参与国自然联合基金重点支持项目、国家自然科学基金、先进焊接与连接国家重点实验室基金项目等项目。研究方向电弧焊接装备与工艺。

02

近两年发表文章

[1] Y B Zhou, Z W Qi, B j Qi, et al. Sc/Zr microalloying on strength-corrosion performance synergy of wire-arc directed energy deposited Al-Mg. Virtual and Physical Prototyping, 2024, 19(1): e2358981.

[2] Y B Zhou, Z W Qi, B j Qi, et al. Influence of in-situ precipitation on corrosion behaviors of wire arc directed energy deposited Al-Mg(-Sc-Zr). Journal of Materials Science & Technology, 2025, 228: 172-188.

[3] W Dai, W Guo, Z W Qi, et al. Tailoring properties of directed energy deposited Al-Mg alloy by balancing laser shock peening and heat treatment. Journal of Materials Science & Technology, 2024, 203: 78-96.

[4] H Zhong, B J Qi, B Q Cong, et al. Influence of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of Al–Mg–Si alloy fabricated by double wires + arc additive manufacturing, Journal of Materials Research and Technology, 2024, 30:910-918.

[5] C Y Zeng, X Y Cai, Z W Qi, et al. Effect of in-situ synthesized TiC particles on microstructure and mechanical properties of directed energy deposited AA2219 Al-Cu alloy. Journal of Alloys and Compounds, 2023, 964: 171331.

[6] Y L Shi, S L Gong, B j Qi, et al. Achieving equiaxed and lamellar TiAl alloys via cold-cathode electron beam additive manufacturing with dual-wire synergistic control. Journal of Materials Research and Technology, 2025, 34: 1288-1303.

[7] Y L Shi, S L Gong, B j Qi, et al. Alloying strategies for additive manufacturing of Ti6Al4V based alloys, composites and functionally graded materials: Microstructure and phase evolution of intra and inter-layer. Journal of Materials Research and Technology, 2023, 27: 6225-6263.

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：向映姣

审 核：张 彤

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