通过高功率振荡激光-电弧混合增材制造技术消除铝铜合金中的气孔并实现各向同性特性

《Additive Manufacturing》：Eliminating pores and achieving isotropic properties in Al-Cu alloy by high-power oscillating laser-arc hybrid additive manufacturing

采用高功率大范围高频振荡激光束与低功率电弧协同的OL-AHAM工艺，成功将铝合金构件孔隙率降至0.01%，实现97%的孔隙率降低，显著改善机械性能各向异性，垂直与水平方向抗拉强度一致性指数达99.9%和100%，材料利用率及制造效率提升。

　　

李占新|任传奇|吕家文|耿永亮|李博博|王磊|卢炳恒

西安交通大学机械工程学院，中国西安，710049

摘要

孔隙缺陷和各向异性微观结构严重限制了线弧增材制造（WAAM）在铝合金中的应用。本研究提出了一种新型的振荡激光-电弧混合增材制造（OL-AHAM）策略，采用高功率激光束进行大范围、高频率的振荡，以减少孔隙、微观结构不均匀性和机械性能差异。结果表明，OL-AHAM工艺制备的样品孔隙率仅为0.01%，比传统WAAM降低了97%。此外，孔隙的空间聚集得到了有效抑制。更重要的是，强烈的激光能量与振荡引起的搅拌作用从根本上改变了凝固微观结构，将晶界处的粗大链状θ-Al₂Cu相转变为细小且分布均匀的形态。因此，OL-AHAM样品表现出优异的机械性能，其极限抗拉强度（UTS）、屈服强度（YS）和延伸率（EL）分别达到了272 MPa、134 MPa和12.1%（相比WAAM样品分别提高了7.4%、5.0%和5.0%）。显著的孔隙率降低增大了有效承载面积，并减少了孔隙与脆硬θ-Al₂Cu相界面处裂纹产生的倾向。最引人注目的是，OL-AHAM工艺实现了优异的机械各向同性，UTS、YS和EL的一致性指数分别高达99.9%、100%和95.2%。这项工作为制造具有高完整性和各向同性性能的大尺寸铝合金部件提供了一条可行且高效的途径。

引言

由于铝合金具有较高的强度重量比、耐腐蚀性和轻质特性，被广泛应用于航空航天、汽车和造船等行业[1]。这些部件主要采用传统的铸造、锻造、焊接和铣削等方法制造，但由于需要去除大量材料，这些方法成本高昂且耗时较长[2]、[3]。增材制造技术已被证明是提高生产效率和材料利用率的关键[4]、[5]。其中，线弧增材制造（WAAM）技术因其设备成本低、沉积效率高和灵活性强而受到广泛关注[6]、[7]、[8]。尽管WAAM技术在铝合金制造中具有显著优势，但在生产完全致密、高质量部件方面仍存在挑战。主要问题在于其逐层制造的特性[9]，以及铝合金固态（每100克0.036毫升）和液态（每100克0.69毫升）之间氢溶解度的显著差异[10]、[11]。这些因素导致微观结构不均匀和密集的氢孔隙，从而显著降低机械性能，尤其是水平和垂直方向的机械性能一致性。对于承受多轴载荷的复杂结构部件（如飞机机翼[12]、[13]），当载荷（例如冲击力）沿着各向异性部件的最弱方向作用时，容易发生失效。这种敏感性成为阻碍WAAM技术发展的关键限制[14]、[15]。许多研究探讨了这些挑战的潜在解决方案。在工艺参数方面，对电弧模式[9]、热输入[11]和沉积策略[16]等进行了调整。然而，修改打印过程以缩短孔隙逸出路径或延长逸出时间在减少孔隙方面效果有限，且并未显著改善微观结构或机械性能的均匀性。在辅助设备方面，引入了超声波振动[17]、[18]、[19]、层间滚压[20]、[21]、层间锤击（IH）[22]、激光冲击处理（LSP）[23]、[24]和热等静压（HIP）[26]、[27]等技术来改进制造过程。然而，这些方法通常需要复杂的系统集成，主要通过促进孔隙逸出或诱导塑性变形来关闭孔隙。尽管在结构异质性和孔隙率方面取得了一定改进，但机械性能的一致性仍需显著提升。

作为一种非接触式辅助设备，激光束可以直接作用于熔池以抑制孔隙，并方便地固定在WAAM设备上。吴等人[28]使用脉冲激光-钨惰性气体混合增材制造工艺制备了孔隙率为0.82%的Al-Cu合金，整体晶粒结构得到优化，拉伸性能得到提升。但样品的微观结构在激光作用区（LZ）和电弧作用区（AZ）之间呈现出交替分布的趋势。刘等人[29]、[30]使用相同工艺制备Al-Zn-Mg-Cu合金，观察到了相同现象，Al、Zn、Mg和Cu元素在LZ中均匀分布，但AZ中的孔隙仍然存在。刘等人[31]在激光-电弧混合增材制造过程中引入连续激光，制备了Al-Cu合金壁，虽然打破了沿构建方向的AZ和LZ交替模式，形成了孔隙率低至0.11%的连续LZ，但两侧仍存在孔隙率较高的AZ区域（高达2.4%），占据了横截面积的大部分。高频圆形振荡激光束已被证明可以生成稳定的关键孔，同时抑制孔隙并扩大作用区域[32]、[33]。马等人[34]和吴等人[35]在较低激光功率下进行了相关研究，LZ显著扩大，但仍然存在交替的微观结构和层聚集孔隙，表明机械性能各向异性的影响不容忽视。上述研究人员主要使用电弧作为热源熔化金属，并辅以低功率激光束。由于电弧能量较高而激光能量较低，孔隙率的降低、微观结构的改善和机械性能的提升受到限制。鉴于高功率、大范围、高频率振荡激光束的应用较少报道，这为克服这些限制提供了有前景的途径。

在本研究中，为了解决上述问题，提出了一种新策略：使用高功率、大范围、高频率振荡激光束作为主要热源直接作用于熔池，同时使用低功率电弧进行金属熔化。采用振荡激光-电弧混合增材制造（OL-AHAM）工艺制备Al-Cu合金，并以WAAM制备的样品作为实验对照组。研究了熔滴行为、振荡激光束、孔隙分布、微观结构和机械性能，并讨论了水平和垂直方向机械性能各向异性的原因以及孔隙抑制机制。本研究为大型和中型复杂结构的铝合金部件的高质量增材制造奠定了坚实基础。

材料与工艺

使用直径为1.2毫米的2319铝合金线作为沉积原料，沉积基底为尺寸为200毫米×100毫米×20毫米的相同类型的铝合金板。打印前，使用钢丝刷手动去除基底沉积表面的氧化膜，并用酒精清洗表面以去除污染物。两种材料的具体化学成分列于表1中。

OL-AHAM系统

熔滴转变和关键孔运动行为

图3展示了WAAM的CMT-PA模式下熔滴转变行为和电流-电压波形，图4展示了OL-AHAM过程中激光束运动行为和电流-电压波形。每个CMT-PA周期包括电极正极（EP）阶段和电极负极（EN）阶段。

讨论

在铝合金WAAM过程中，金属部件中的孔隙会减少部件的承载面积，从而降低其机械性能[14]、[15]。孔隙主要分为工艺孔隙和氢孔隙[10]。工艺孔隙主要由金属凝固收缩产生，形成细长、链状的空洞，球形度较差[9]，在本研究中几乎不存在。氢孔隙是主要缺陷

结论

本研究提出了一种新型的振荡激光-电弧混合增材制造（OL-AHAM）策略，采用高功率激光束进行大范围、高频率的振荡，以减少孔隙、微观结构不均匀性和机械性能差异。通过高功率OL-AHAM工艺制备了孔隙率低、壁状结构且水平和垂直方向机械性能几乎均匀的部件。关键孔形态、孔隙分布

作者贡献声明

卢炳恒：监督、方法论、概念设计。王磊：撰写-审稿与编辑、监督、方法论、概念设计。耿永亮：方法论、研究、概念设计。吕家文：方法论、研究、概念设计。任传奇：软件、方法论、研究。李占新：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、研究、正式分析。李博博：研究、概念设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。