盧秉恒院士團(tuán)隊突破鋁鋰合金增材制造難題，助力航天結(jié)構(gòu)邁向更高性能

來源：增材工業(yè)

輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金，尤其是2195 Al-Cu-Li合金，因其優(yōu)異的比強(qiáng)度、耐腐蝕性和低溫性能，已成為航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，尤其是在運(yùn)載火箭燃料箱的制造中被大量采用。然而，傳統(tǒng)的鑄鍛及焊接制造工藝，面臨著諸如設(shè)計受限、工序復(fù)雜、制造周期長等重大挑戰(zhàn)，難以適配未來航天結(jié)構(gòu)對復(fù)雜性和集成化的要求。金屬增材制造 (AM) 技術(shù)為克服這些局限性提供了一種有前景的解決方案，能夠高效制造具有增強(qiáng)材料性能的復(fù)雜幾何形狀，包括鋁合金、鈦合金、鋼和高溫合金等。

各種增材制造技術(shù)，包括攪拌摩擦增材(FSAM)、激光粉末床熔融 (PBF-LB)、激光定向能量沉積 (DED-LB)和電弧定向能量沉積 (DED-Arc)，都已應(yīng)用于Al-Li合金。然而，每種方法都面臨著其特有的挑戰(zhàn)。例如，攪拌摩擦增材可以實現(xiàn)細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，但存在穩(wěn)定性問題，并且難以制造復(fù)雜的幾何形狀；激光粉末床熔融和激光定向能量沉積具有很高的幾何靈活性，但由于紅外激光反射率高、元素?zé)龘p嚴(yán)重以及快速凝固引起的缺陷，它們的應(yīng)用也受到了巨大挑戰(zhàn)。在大規(guī)�？焖僦圃旆矫骘@示出良好前景的電弧定向能量沉積工藝，也仍然面臨元素?zé)龘p（尤其是Li元素）、孔隙缺陷等挑戰(zhàn)。鋰元素極易在高溫熔池中燒損，導(dǎo)致合金性能下降。因此，研究如何精準(zhǔn)控制沉積過程中的熱力學(xué)行為，抑制元素?zé)龘p，成為突破Al-Li合金增材制造應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵。

為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室盧秉恒院士團(tuán)隊，提出并驗證了一套專門針對基于鎢極惰性氣體保護(hù)的定向能量沉積（GTA-DED）工藝的數(shù)值仿真–機(jī)器學(xué)習(xí)–實驗分析相結(jié)合的研究方案。研究建立起雙面高斯熱源動力學(xué)模型，實現(xiàn)對熔池溫度場及凝固過程的高精度仿真。研究結(jié)合高斯過程回歸（GPR），系統(tǒng)量化了關(guān)鍵工藝參數(shù)對AA2195 Al-Li合金沉積質(zhì)量和元素?zé)龘p行為的影響，確定出“最低Li損耗率僅為1.6%”的優(yōu)化參數(shù)窗口，并精準(zhǔn)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)成形控制。通過對孔隙成核和微觀組織演變的深入研究，論文進(jìn)一步揭示了強(qiáng)度和延展性之間的相互作用機(jī)理。研究成果為Al-Li合金GTA-DED增材制造的大規(guī)模工程應(yīng)用提供了重要的理論參考和實證數(shù)據(jù)支持。相關(guān)成果發(fā)表于增材制造領(lǐng)域頂刊Additive Manufacturing。

二、研究方法
1原材料及力學(xué)性能表征
研究使用了符合航空航天規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的AA2195 Al-Li合金焊絲（∅1.2 mm），公稱成分為Li (1.25%)、Cu (4.22%)、Mg (0.51%)、Mn (0.02%)、Ag (0.06%)、Zr (0.01%)、余量為Al。力學(xué)性能和微結(jié)構(gòu)表征采用OM、EBSD、SEM、TEM及XRD技術(shù)，孔隙檢測利用工業(yè)CT，成分檢驗借助ICP及EDS，確保對增材結(jié)構(gòu)和后續(xù)熱處理態(tài)微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的全鏈條研究。

AA2195合金的熱物理性能：(a)密度，(b)熱導(dǎo)率，(c)比熱容。

來源：[1]

（a）GTA-DED 設(shè)備實物，（b）詳細(xì)設(shè)置，（c）沉積的 AA2195 薄壁和表征樣品，以及（d）拉伸試樣尺寸。

來源：[1]

2熱力耦合建模及參數(shù)優(yōu)化
建立雙面高斯熱源仿真模型，更精準(zhǔn)表征電弧在薄壁結(jié)構(gòu)沉積過程中的溫度場特征，避免單面模型對側(cè)壁熔池動力學(xué)的偏離。結(jié)合高斯過程回歸(GPR)建立參數(shù)--性能響應(yīng)面，通過81組參數(shù)組合確定工藝窗口，優(yōu)化Li燒損和壁厚精度之間的平衡。

(a)熱FEA計算域網(wǎng)格劃分結(jié)果，(b) 局部網(wǎng)格細(xì)化，(c) 表面熱量分布示意圖，(d) 改進(jìn)的雙面高斯熱源示意圖，(e) 用于溫度場驗證的四個K型熱電偶位置。

來源：[1]

3增材制造及后續(xù)熱處理
研究采用GTA-DED制造單壁結(jié)構(gòu)，確定最佳參數(shù)窗口后，開展后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)T8熱處理（固溶520℃/1.5h、3%預(yù)拉伸、人工時效160℃/30h）。對比研究沉積態(tài)和熱處理態(tài)微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間的差異。

（a）AD樣品的DSC曲線，(b) T8熱處理示意圖。

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三、研究結(jié)果
1數(shù)值仿真及動力學(xué)窗口確定

研究發(fā)現(xiàn)，最佳參數(shù)組合為：
電弧電流：120 A
沉積速度：0.15 m/min

該參數(shù)組合使熔池尺寸和沉積精度達(dá)到最佳平衡，Li元素?zé)龘p控制至1.6%，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有文獻(xiàn)參考水平，極大改善元素保留和成形結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

(a) Ω和Tmin與行進(jìn)速度和電流的疊加云圖，(b) 關(guān)鍵參數(shù)區(qū)域放大圖，(c) 三個代表性案例的GPR擬合Ω與實驗Li_LossRate比較，(d) 三個案例的橫截面形貌。

來源：[1]

2微觀結(jié)構(gòu)及相態(tài)研究
沉積態(tài)結(jié)構(gòu)為典型柱狀晶，顯示<001>和<101>方向擇優(yōu)取向。

沿構(gòu)建方向的GTA-DED AA2195合金IPF圖：(a) AD，(b) T8試樣。

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在標(biāo)準(zhǔn)T8熱處理后，原先大尺寸Cu/Mg富集相溶解，并轉(zhuǎn)變?yōu)槊芗�分布的T1相（尺寸≤200nm），屈服強(qiáng)度從169.9 MPa大幅提升至554.5 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到529–566 MPa。

GTA-DED AA2195的XRD分析（AD vs. T8）：(a)全圖，(b)放大2θ范圍(41.0°-43.0°)突出T1相演變。

來源：[1]

3孔隙及收縮缺陷研究

研究發(fā)現(xiàn)孔隙源于氫氣溶解及凝固收縮動力學(xué)，表現(xiàn)為球形氣孔和不規(guī)則收縮缺陷。

完成參數(shù)優(yōu)化后，孔隙和收縮缺陷總體積略有增加（8.3‰），但對拉伸強(qiáng)度影響已被結(jié)構(gòu)設(shè)計和相態(tài)優(yōu)化有效控制。

檢測顯示，孔隙主導(dǎo)拉伸斷裂行為，孔洞和收縮缺陷在柱狀晶邊界處加速裂紋萌生和擴(kuò)展。

GTA-DED AA2195缺陷分析：(a,c) AD和(b,d) T8試樣體積缺陷渲染圖及等效直徑/球形度分布。

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四、討論
研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過動力學(xué)和參數(shù)窗口優(yōu)化后，GTA-DED增材制造的Al-Li合金已達(dá)到極佳的結(jié)構(gòu)控制和性能匹配。但孔隙及收縮缺陷對拉伸延展性的影響，依舊是后續(xù)研究重點。提出四項后續(xù)研究方向：

1. 結(jié)合先進(jìn)保護(hù)氣氛控制，抑制氫氣進(jìn)入和氧化膜形成。

2. 優(yōu)化熔池動力學(xué)，提升凝固補(bǔ)縮能力。

3. 增強(qiáng)跨層塑性變形及先進(jìn)后處理技術(shù)，消除孔洞、細(xì)化結(jié)構(gòu)。

4. 以控制動力學(xué)參數(shù)和相態(tài)設(shè)計為突破口，進(jìn)行跨尺度控制設(shè)計，平衡強(qiáng)度和延展性之間的固有矛盾，實現(xiàn)“雙高”目標(biāo)。

GTA-DED工藝中AA2195合金的電弧動力學(xué)和熔池演化CCD捕獲圖像。

來源：[1]

五、結(jié)論
研究提出的“雙面高斯熱源–機(jī)器學(xué)習(xí)輔助參數(shù)優(yōu)化”方案，成功解決了Al-Li合金增材制造過程中的元素?zé)龘p和結(jié)構(gòu)控制難題，在抑制元素?zé)龘p、優(yōu)化沉積窗口及強(qiáng)化力學(xué)性能等多個層面取得突破，為后續(xù)航天及先進(jìn)結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了理論和實用參考。本研究取得以下成果：

1. 找到了使壁厚達(dá)到8mm、Li元素?zé)龘p控制在1.6%的最佳參數(shù)窗口，即電弧電流120 A，沉積速度0.15 m/min，建立起高效、可控的電弧增材制造參考體系。

2. 經(jīng)后續(xù)T8熱處理后，屈服強(qiáng)度提升至554.5 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到529–566 MPa，顯示出該工藝實現(xiàn)高強(qiáng)度的極大潛力。

3. 揭示微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)，確定孔隙和收縮缺陷對力學(xué)性能及延展性的限制性影響，提出跨尺度控制方向。

4. 對未來研究方向提出建議，強(qiáng)調(diào)跨尺度控制及先進(jìn)后處理對進(jìn)一步突破Al-Li合金增材制造性能極限的意義。

論文鏈接：
[1] https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104870