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孔隙率一直是金屬3D打印的重要冶金缺陷，它不僅會降低零件的疲勞壽命，更會降低靜態(tài)機械性能。近日，北京理工大學的研究人員發(fā)表研究論文，發(fā)現通過控制應變可以有效地消除沿沉積方向的微孔隙分布，最終將采用電弧3D打印的Al-Li合金屈服拉伸強度提高了199％，極限拉伸強度增加了168％，伸長率增加了460％。

　　鋁鋰合金作為關鍵的輕質結構材料之一，因其低密度、高比強度和剛度而受到廣泛關注，在航空航天工業(yè)中得到廣泛應用。2020年12月，我國首個3.35米直徑鋁鋰合金火箭貯箱在火箭院誕生，在該型貯箱的制造與攻關中，攪拌摩擦焊位列8大關鍵技術之中，該技術同時也可以轉化為一種增材制造工藝。

　　WAAM電弧熔絲3D打印技術，是一種利用逐層熔覆原理，采用惰性氣體保護的電弧增材制造工藝。目前，該工藝可成型一系列鋁合金，包括Al–Cu合金（2xxx），Al–Mg–Si合金（6xxx）和Al–Zn合金（7xxx）等。微孔隙率對鋁鋰合金強度和韌性的不利影響使其成為該材料電弧3D打印的主要缺陷之一。了解和分析WAAM過程中微孔隙的空間分布、熱處理后微孔隙的演化特征以及抑制微孔隙的方法對提高鋁鋰合金的力學性能具有重要意義。

　　對此，北京理工大學王俊升教授研究了使用WAAM技術制造的AA2196 Al-Li合金的微孔缺陷。AA2196作為一種新型的鋁鋰合金，具有高模量、高比強度等優(yōu)良性能，以及出色的抗損傷性能。隨著航空航天制造業(yè)的發(fā)展，對鋁結構件的復雜幾何結構提出了很高的要求。增材制造在解決這些問題方面具有優(yōu)勢。

　　研究人員討論了熱變形和熱處理對WAAM AA2196 Al-Li合金微孔缺陷的影響。對樣品的微孔形態(tài)和分布以及力學性能進行了表征和分析。此外，提出了一種減少WAAM Al-Li合金微孔率并促進析出強化的方法，這對提高WAAM AA2196合金的力學性能具有重要意義。相關研究成果以題“Improving mechanical properties of wire arc additively manufactured AA2196 Al–Li alloy by controlling solidification defects”發(fā)表在金屬頂刊Additive Manufacturing上。

　　WAAM沉積原理及打印的2196 Al-Li合金樣件

　　通過電弧3D打印的2196 Al-Li合金由柱狀晶和等軸晶（平行于電弧移動方向）組成。經過23％和42％的熱變形后，合金中的連續(xù)共晶網絡結構被破碎成小塊，均勻地分布在基質金屬中，幾乎沒有大的共晶相。盡管在沉積態(tài)合金中只發(fā)現很少的微孔，但經過T6熱處理后大量的微孔成核并生長。

　　電弧3D打印的2196 Al-Li合金的微觀結構分布：（a）晶粒尺寸表征，和（b）晶粒尺寸分布。

　　合金中復雜的微孔形態(tài)通常很難通過金相觀察來檢測。盡管可以通過SEM在WAAM 3D打印的2196 Al-Li合金中觀察到微孔的平面分布，但由于它們僅限于二維平面，因此無法可視化微孔的三維空間特征。

　　為此，研究人員采用XCT對打印件進行了檢測，提取微孔并標記為藍色。檢測結果顯示，微孔隨機分布在沉積樣品中，但在層間邊界區(qū)域中發(fā)現了微孔鏈。顯然，微孔的聚集總是在層間邊界區(qū)域，從而形成了多孔介質的高密度鏈。與沉積態(tài)打印件相比，層間邊界區(qū)域的微孔通過T6熱處理后數量增加，并且微孔的尺寸也顯示出增大的趨勢。隨著變形從23％增加到42％，微孔的大小和數量逐漸減小。需要注意的是，在23％的熱變形后微孔的尺寸沒有被抑制，直到變形量達到42％。因此得出結論，除非增加熱變形的量，否則其余的微孔仍然分布在層間邊界區(qū)域中。

　　鋁鋰合金沉積態(tài)、T6、23％熱變形+ T6和42％熱變形+ T6條件下，材料內部微孔聚集和最大的微孔形態(tài)的3D視圖

　　機械性能的測試顯示了讓人驚訝的結果。沉積態(tài)樣品的硬度值為103HV，T6熱處理之后為138HV，增加了34％；42％熱變形后的硬度值達到151HV，相比沉積態(tài)增加了47％。沉積態(tài)合金的平均屈服強度、拉伸強度和延伸率分別為187Mpa、262MPa和1.5％；經過T6熱處理后，三項指標分別達到286Mpa、376Mpa和7.2％，分別增加了152％、143％和380％；經過42％的熱變形處理后，平均屈服強度和拉伸強度達到372MPa和439MPa，與23％的熱變形基本相同，但23％的熱變形后的伸長率僅為0.9％，而經42％的熱變形后則達到6.9％，這些數據遠遠超過沉積態(tài)的性能。

　　鋁鋰合金沉積態(tài)、T6、23％熱變形+ T6和42％熱變形+ T6條件下，材料的平均屈服、拉伸強度和和伸長率

　　在不同條件下，2196 Al-Li合金中微孔的等效直徑分布頻率：（a）WAAM沉積態(tài) ；（b）T6；（c）23％的熱變形+? T6熱處理；（d）42％熱變形+ T6熱處理

　　沉積態(tài)鋁鋰合金中微孔的形成主要是因為氫的過飽和度，由于3D打印熔凝速度非?？欤谝汗剔D變時氫的溶解度突然變化導致氫過飽和且無法及時溢出，導致熔凝之后形成氫氣孔。因此，沉積態(tài)中微孔沿熔化路徑分布，并且由于重復熔化造成在層間形成更高密度的微孔鏈。熱變形過程可以將微孔壓縮，但其閉合程度取決于軋制載荷和變形量，只有較高的載荷和較大的變形才會導致更多的微孔閉合。

　　經過42％的熱變形和T6熱處理，與沉積態(tài)合金相比，材料的性能得到了極大的改善。這主要是由于引入了位錯密度，從而為T1相和大量納米級T1相引入了成核位點。此外，在42％的熱變形后，合金基體的整體孔隙率從1.02％降低至0.01％，并且微孔的最大直徑從100μm減小到30μm，表明微孔已得到有效修復。因此，在42％的熱變形和T6熱處理后，機械性能的改善是由于微結構的優(yōu)化和微孔的修復。