轧制和T6热处理对2024铝合金电阻焊增材制造零件的沉淀行为及多尺度强化的协同效应

《Materials Science and Engineering: A》：Synergistic Effects of Rolling and T6 Treatment on Precipitation Behavior and Multi-Scale Strengthening in Resistance Seam Additive Manufactured 2024 Aluminum Alloy

铝合金增材制造中强度与塑性协同优化机制研究，通过电阻缝焊增材制造（RSAM）结合轧制与T6热处理，显著提升2024铝合金抗拉强度（423 MPa）和延伸率（11.3%），揭示轧制诱导的亚微米结构演变与热稳定T相析出协同作用机制。

　　

王成|李玉龙|王德|刘浩|郭一杰|陈杰|徐晨|王文琴

南昌大学先进制造学院，中国南昌，330031

摘要

本研究通过结合轧制和T6热处理，克服了2024铝合金在电阻熔融沉积制造（RSAM）过程中的强度-延展性trade-off问题。这种混合工艺使得材料的抗拉强度（UTS）达到了423 MPa，延伸率（El）达到了11.3%，显著优于原始沉积状态（171 MPa，1.6%）和经过T6处理的状态（297 MPa，3.8%）。轧制引起的热机械效应破坏了晶间共晶网络，并引发了部分动态再结晶，形成了具有高位错密度的超细晶粒结构。在固溶处理过程中，这种缺陷网络促进了热稳定的T相析出物的密集沉淀，通过Zener钉扎效应有效抑制了静态再结晶。这种亚结构在随后的时效过程中促进了均匀的纳米级S相沉淀。定量分析表明，屈服强度的提高主要归因于沉淀强化（约111.5 MPa）和亚结构强化（约89 MPa）。多尺度结构保持了较高的加工硬化能力，促进了晶间延性断裂的实现。

引言

Al-Cu-Mg 2024合金因其优异的比强度和抗疲劳性能，成为航空航天承重结构的基石材料[1]，[2]。然而，传统的锻造和轧制方法受到高工具成本、长交货时间和大量材料浪费的限制，尤其是在复杂轻量化几何形状的制造中[3]。增材制造（AM）作为一种变革性技术，通过实现从数字到零件的直接制造，提供了无与伦比的设计自由度和材料利用率[4]，[5]。

然而，可热处理的2xxx（Al-Cu-Mg）合金的AM仍然具有挑战性[6]，[7]。现有的熔融基技术，如选择性激光熔化（SLM）和线弧增材制造（WAAM），容易产生热裂纹、气孔和元素挥发[8]，[9]，[10]。这些工艺中的快速温度梯度和快速凝固会导致粗大的柱状晶粒以及严重的元素偏析，从而在晶界处形成连续的脆性共晶网络（例如θ-Al₂Cu和S-Al₂CuMg）[11]，[12]。这些非平衡微观结构严重降低了延展性和断裂韧性，阻碍了理想的强度-延展性协同效应的实现[11]，[13]。

因此，后处理优化对于充分发挥AM铝合金的机械潜力至关重要。标准的固溶和时效处理常常受到原始沉积状态下的粗晶粒和严重偏析的影响[14]。因此，即使经过时效处理，AM制造的2xxx合金的性能也常常不如锻造合金[15]，[16]，[17]。结合塑性变形的混合策略，如层间轧制或锤击，已被证明可以有效破坏共晶相并细化晶粒，从而促进均匀沉淀[18]，[19]，[20]。然而，整合这些辅助变形方法通常需要复杂的设备设置和中断的加工过程，显著增加了制造的复杂性和成本[21]，[22]。

在这种背景下，电阻熔融沉积制造（RSAM）作为一种有吸引力的替代方案应运而生。RSAM利用单个电极轮同时作为热源和机械工具，实现了从沉积到固化的无缝过渡，消除了其他混合AM工艺中常见的工具切换空闲时间。与传统原位变形（例如WAAM中的层间轧制）不同，RSAM的特点是脉冲焦耳加热和机械压力同步耦合。这种整合创造了独特的“热-电-机械”协同效应，局部脉冲电流提供了即时加热，并诱导了加速原子扩散和晶格重构的电塑性效应[23]，[24]，[25]。此外，作为一种固态技术，RSAM避免了熔融基工艺（如SLM和WAAM）中常见的液-固转变相关缺陷，如热裂纹和气孔。例如，在Al 1060的制造过程中[26]，重复的热机械轧制显示出了自修复效应，将气孔率从0.998%降低到0.017%，同时将晶粒尺寸细化到8.7 μm，从而提高了强度并显著增加了延伸率（达到34.3%）。同样，在2219铝合金中[16]，这种混合工艺成功破坏了粗大的树枝状共晶网络，并加速了Cu元素在基体中的溶解，从而增加了位错密度和固溶度，促进了后续的沉淀强化。

然而，RSAM诱导的变形与后续热处理之间的相互作用机制仍不清楚。具体来说，轧制引起的特征（包括动态再结晶的晶粒、高位错密度和破碎的相）与固溶和时效循环中的微观结构演变之间的相互作用尚未明确。关键在于，在这种独特的热机械路径下，热稳定的T相（Al₂₀Cu₂Mn₃）析出物（以其Zener钉扎效应而闻名[27]）与主要的强化相S相（Al₂CuMg）之间的竞争动力学需要系统研究。因此，本研究采用多尺度表征方法对RSAM制造的AA2024合金进行了分析，以揭示其微观结构的层次演变。通过定量分离各种强化贡献，我们旨在建立一个理论框架，以优化增材制造的Al-Cu-Mg合金的强度-延展性协同效应。

材料与方法

使用FN-160中频RSAM系统，将商业球形2024铝合金粉末（平均直径49.4 μm）沉积在304不锈钢基底（100 mm×40 mm×5 mm）上。粉末的形态和粒度分布如图1所示，具体化学成分列于表1中。通过脉冲电流（4 kA）以4 mm/s的焊接速度和0.4 MPa的电极压力实现逐层固化。随后，样品进行了10

微观结构

图3显示了不同状态样品的XRD图谱。所有样品主要由α-Al基体和少量θ相（Al₂Cu）组成。然而，S相（Al₂CuMg）的沉淀取决于加工条件。在AD和T6样品中未检测到S相，而在AR和AR+T6样品中，S相在2θ=35.01°、38.94°和45.33°处出现了明显的峰，表明轧制促进了S相的沉淀。此外，AR样品的α-Al

微观结构演变机制

微观结构的演变受到轧制预处理效应及其与T6热处理协同作用的影响。轧制引入的高储存能量引发了以恢复为主的转变，与传统的固溶处理（SRX）不同。最初，AD状态（图15(a)）具有由非平衡凝固形成的连续脆性α+θ共晶网络。轧制通过两种途径改变了这一状态：机械破碎共晶网络以切断裂纹路径，以及热机械

结论

本研究探讨了轧制和T6热处理对RSAM制造的2024铝合金微观结构和力学性能的协同效应。主要结论如下：

(1)

轧制+T6工艺有效克服了强度-延展性trade-off。虽然AD和T6状态表现出脆性（El<4%），但AR+T6样品获得了更优异的力学性能，抗拉强度为423 MPa，屈服强度为318 MPa，延伸率为11.3%。

(2)

轧制预处理破坏了

作者贡献声明

郭一杰：撰写 – 审稿与编辑、验证、研究、数据分析。刘浩：监督、软件开发、研究。徐晨：数据可视化、验证、数据管理。陈杰：验证、项目管理、方法论。王文琴：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、数据分析、概念构思。李玉龙：验证、方法论、研究。王成：撰写 – 初稿撰写、监督、项目管理、方法论。王德：监督，

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金 [52205375, 52461021]、江西省自然科学基金 [20242BAB26064, 20252BAC250035]以及江西省高水平高层次人才培训项目[2024]的财政支持。