電弧增材制造2024鋁合金的組織性能研究

李慶棠，季德生，張亞婷，劉寶昌，王方彬

（北京新風航天裝備有限公司，北京 100854）

增材制造（Additive manufacturing，AM）技術是基于“離散-堆積”的原理，融合了計算機輔助設計、材料成形加工等技術，通過將材料逐層堆積制造出所需結構的零部件，實現“自下而上”直接生產實體零部件的先進制造技術。電弧熔絲增材制造（WAAM）以焊接電弧作為熱源，以金屬絲材為原料，適用于制造大型結構件和形狀復雜的零件[1-3]。電弧熔絲增材制造根據熱源的性質可以分為三種類型：熔化極氣體保護焊（MIG）、非熔化極氣體保護焊（TIG）和等離子弧焊（PAW）。其中，TIG焊采用鎢極作為電極，在惰性氣體的保護下電弧穩定性好、無飛濺與熔渣、成形良好，適用于鋁合金、鈦合金、高溫合金等材料成形。2024鋁合金屬于Al-Cu-Mg系鋁合金，具有密度低、強度高等特點，廣泛應用于航空、航天、雷達等產品的制造[4-6]。

基于以上背景，本文以2024鋁合金為研究對象，以TIG電弧為熱源成形了鋁合金薄壁構件，并進行固溶時效熱處理，研究了WAAM 2024鋁合金構件的顯微組織和力學性能。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

選用直徑為1.2mm的2024鋁合金絲材為填充材料，基板選用尺寸為300mm×300mm×16mm的7075鋁合金板材為基板，化學成分如表1所示。由于污物、氧化膜和水分等會在構件中產生夾雜和氣孔等缺陷，使構件疲勞性能、強度等力學性能顯著下降，因此在增材制造前需要對基板和絲材進行預處理，步驟為：使用角磨機對基板上的待沉積區域進行打磨，去除表面的氧化膜等污物，再用無水乙醇將基板擦拭干凈，烘干后進行實驗；金屬絲材為真空包裝，新焊絲不作任何處理，實驗結束后放在電子防潮柜中以免絲材受潮或氧化。

表1 2024鋁合金絲材與7075鋁合金基板化學成分（wt.%）

1.2 試驗方法

電弧熔絲增材制造系統由焊接電源、工業六軸機器人、變位機、焊槍、送絲機、氣體保護系統、冷卻系統等部分組成。以TIG電弧作為熱源，2024鋁合金絲材為填充材料，機器人作為執行機構，采用擺動成形路徑進行2024鋁合金薄壁試樣的成形，成形原理與成形路徑如圖1所示。

圖1 電弧熔絲增材制造技術

增材成形前，需要對基板進行預熱，當預熱電流較小時，液態金屬難以在基板上潤濕，熔覆效果差，成形構件橫截面呈現上寬下窄的現象。增加預熱電流和第一層的熱輸入，并適當調整第一層的送絲參數，能夠提高成形質量。成形過程的電流參數如表2所示，運動參數為擺動步長dx=0.75mm，擺動寬度dy=7.5mm，運動速度TS=228mm/min，送絲速度WFS=5m/min，層間自然冷卻30s。沉積層收弧位置容易塌陷，在收弧端采取補送絲的方法，能夠有效解決塌陷問題。WAAM 2024鋁合金薄壁構件如圖2所示，2024鋁合金為熱處理強化鋁合金，電弧增材成形完成后，對2024薄壁構件進行T6固溶時效熱處理，固溶溫度為498℃，固溶時間為90min，時效溫度為190℃，時效時間為6h。

表2 成形過程電流參數

圖2 2024鋁合金薄壁構件

由于電弧增材過程中起弧和熄弧位置成形穩定性稍差，因此切除構件起弧和熄弧端2cm范圍部分構件，在構件中部成形穩定位置通過線切割工藝制備金相和拉伸試樣，構件中心位置切取尺寸為15mm×15mm的試樣，經打磨、拋光后，通過掃描電子顯微鏡（SEM）分析二次相分布特征；構件兩側位置制備拉伸試樣，進行室溫拉伸測試。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

WAAM 2024鋁合金和7075基板的掃描電鏡結果如圖3所示。

圖3 WAAM 2024鋁合金物相分布：(a)沉積態;(b)熱處理態

沉積態構件的第二相粒子主要呈網狀連續分布于晶界處，少量呈顆粒狀分布于晶界交點或晶粒內部。黑色基體為鋁基體，Al2Cu和Al2CuMg的共晶產物沿晶界連續分布，晶粒內部第二相粒子為Al2Cu相。

沉積態WAAM 2024鋁合金構件內部Cu元素和Mg元素在晶界處及晶粒內部相粒子處發生富集，基體內含量較低，合金元素成分偏析較為嚴重。固溶時效熱處理后，物相分布特征發生改變，基體上不存在沿晶界連續分布的第二相，白色的Al2Cu相主要以顆粒狀或棒狀形態在基體上彌散分布。

2.2 力學性能

WAAM 2024鋁合金薄壁構件中心穩定成形位置制備拉伸試樣，根據國家標準GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》采用電子萬能試驗機進行室溫拉伸測試，位移速率為1mm/min，得到室溫拉伸性能如表3所示，沉積態構件的抗拉強度最低為235MPa，平均抗拉強度為250MPa；熱處理后構件抗拉強度最低為423MPa，平均抗拉強度為426MPa，與沉積態構件相比提高了70.4%。

表3 WAAM 2024鋁合金室溫拉伸性能

固溶失效熱處理后，細小彌散分布的強化相使得鋁合金構件的抗拉強度大幅提升。

3 結論

本文采用電弧熔絲增材制造方法成形了2024鋁合金薄壁構件，研究了固溶時效熱處理前后構件的微觀組織和拉伸力學性能[7]。結果表明：

（1）WAAM 2024鋁合金沉積態構件中，Al2Cu相和Al2CuMg相主要呈網狀連續分布于晶界處，少量Al2Cu相呈顆粒狀分布于晶界交點或晶粒內部。熱處理后，Al2Cu相呈顆粒狀或棒狀形態彌散分布。

（2）WAAM 2024鋁合金沉積態構件的平均抗拉強度為250MPa，熱處理后抗拉強度為426MPa，提高了70.4%。