通过预先激光熔化TiC颗粒来抑制WAAM AlCu5MnCdV合金中的层间液化裂纹

《Materials Science and Engineering: A》：Suppressing interlayer liquation cracking in WAAM AlCu5MnCdV alloy by pre-laser melting of TiC particles

　　周晓辉|刘 Yazhou|刘 Fuyun|江 Bi|王 Bingqiu|臧 Chengwei|Swee Leong Sing|韩 Xiaohui|谭 Caiwang|宋 Xiaoguo
哈尔滨工业大学精密焊接与材料结构国家重点实验室，哈尔滨 150001，中国

摘要
在高强度铸AlCu5MnCdV合金的线弧增材制造（WAAM）过程中，层间熔化裂纹仍然是一个关键挑战。为了解决这一问题，开发了一种新的预激光熔化（PLM）TiC颗粒策略，使用振荡激光在电弧前预熔化TiC颗粒。与之前对TiC异质成核的定性理解不同，本研究采用元胞自动机模型结合沉淀物演化来定量揭示裂纹敏感重熔区的微观结构演变。模拟结果表明，PLM TiC显著加速了固化过程，尤其是在该关键区域的最后阶段，其中在约40 μm范围内的早期成核使固液界面前进了约402 μm，并缩短了固化时间约0.23秒。这将粗大的柱状晶粒转变为完全细化的等轴晶粒结构，抑制了最终固化阶段连续的Al2Cu网络、晶界（GBs）孔洞和液膜的形成。因此，由于沉淀物的细化，铜偏析程度降低（从51.5 wt.%降至38.5 wt.%），从而提高了材料的稳定性，避免了T5热处理过程中的熔化裂纹。PLM TiC-T5样品中的Al2Cu沉淀物更加细化，晶格畸变约为3.8%，使材料的抗拉强度从358 MPa提高到了485 MPa。在垂直于沉积方向的方向上，抗拉强度从155 MPa提高到了436 MPa，其中140.8 MPa来自于裂纹的消除，其余部分归因于微观结构的优化。这项工作扩展了通过激光辅助调节陶瓷颗粒在WAAM中的适用性，并为制造无裂纹的高强度铝合金提供了可行的途径。

引言
高强度铝合金，特别是Al-Cu-Mn体系，因其出色的比强度而在航空航天和高速铁路应用中得到广泛应用。传统的制造方法（如铸造）难以满足对大规模、复杂组件的高产量和高性能要求[1],[2]。线弧增材制造（WAAM）作为一种有前景的替代方案，具有定制结构设计和生产效率的优势。然而，高强度铝合金的WAAM面临一系列工艺相关和性能挑战。已经进行了大量研究以解决诸如孔隙率[3],[4],[5]、力学性能[6],[7]以及沉淀行为[8],[9],[10]等问题。在各种策略中，使用陶瓷颗粒进行微合金化和异质成核已成为微观结构控制和性能突破的关键途径[11],[12],[13]。这种方法通过细化晶粒、均匀化溶质分布和调节沉淀物形成直接解决了核心问题[12],[14]。

然而，对于铸态高强度Al-Cu-Mn合金而言，WAAM过程中的裂纹仍然非常严重，这主要是由于它们固有的宽固化温度范围（约150 K）和复杂的共晶合金体系[15]。在高沉积速率下的非平衡凝固过程中，微偏析和连续的沉淀网络进一步加剧了这种裂纹敏感性。Xu等人[16]报告称，在高强度铸铝合金的WAAM过程中，熔化裂纹而非固化裂纹是主要的失效机制。同样，Gong等人[17]和Li等人[18]认为Al-Cu合金中裂纹敏感性的增加是由于晶界（GBs）处存在低熔点共晶体，在高热输入条件下这种现象更加明显。然而，关于WAAM过程中铸态高强度Al-Cu-Mn合金的裂纹风险的研究较少，仍需进一步探讨。因此，利用陶瓷颗粒抑制裂纹并提高WAAM性能对于铸态高强度Al-Cu-Mn合金至关重要。

为了在增材制造过程中添加陶瓷颗粒，研究人员进行了多种试验。对于激光粉末床熔融，这一策略易于实施。然而，在WAAM过程中存在团聚、浮选或分布不均等固有限制。Bermingham等人[1]和Zhang[19]采用表面涂层方法将陶瓷颗粒引入WAAM组件。为了提高分布均匀性，采用了低频振动[14]和磁场[20]等辅助技术。一些研究人员制造了预先加载陶瓷颗粒的焊丝[21]，从而实现了一些难加工材料的高强度焊接。然而，这些方法存在显著限制：表面涂层和辅助技术无法确保均匀分散或良好的界面结合，而预加载焊丝缺乏通用性且特定于材料[22]。此外，引入非导电陶瓷颗粒可能会降低电弧稳定性，影响工艺的可靠性。最近，激光-电弧混合增材制造成为一种有前景的替代方案[23],[24]，具有改进的几何精度和稳定的电弧[25]。这种协同作用为有效整合陶瓷颗粒提供了可行的途径。然而，之前的激光辅助WAAM研究主要集中在激光本身的热效应和几何精度[5],[6],[23]，很少系统地研究激光辅助对陶瓷颗粒掺入和功能的增强作用。

陶瓷颗粒调控效应的机制可归因于陶瓷颗粒在熔池凝固过程中的行为及其与溶质元素的相互作用。以往的研究主要集中在颗粒分布动态和异质成核效应上，对其总体影响的定性评估较为有限。Dong等人[13]和Kim等人[26]发现纳米级颗粒被凝固前沿捕获并分布在Al-Si-Cu合金的晶粒内。Ren等人[11]表明微TiB2倾向于被推到晶界（GBs），促进沉淀物形成。Jin等人[14]通过颗粒分布动态分析解释了这些分布趋势，从而阐明了颗粒如何影响成核或晶界迁移。然而，由于强烈的热梯度、熔池对流和成分波动，这种定性分析在WAAM过程中的有效性有限。更重要的是，这种定性描述不足以捕捉凝固过程中的不均匀微观结构演变和熔池异质性，难以建立具体区域的晶粒特性、元素分布、沉淀物行为和裂纹敏感性之间的关系（如上所述）。

数值模拟在阐明复杂物理条件下的微观结构演变方面具有重要价值[27]，在增材制造和焊接领域受到越来越多的关注。Wang等人[28]和Geng等人[29]建立了相场（PF）模型来预测铝焊池中的枝晶形态。通过纳入元素扩散效应，他们的研究有助于开发无裂纹的2xxx铝合金焊接材料[30],[31]。Liu等人[32]开发了PF模型来研究TC4材料的增材制造过程中的微观结构继承。同样，Yan等人[33],[34]研究了异质颗粒对增材制造过程中晶粒演变的影响，但忽略了成核与成分之间的关系。为了更好地理解沉淀行为，Yang等人[35]将含有足够元素富集的区域视为θ，尽管这种方法简化了表征相形成的生长动力学和热力学条件。从上述研究中可以看出，现有的焊接和增材制造模拟主要集中在晶粒形态演变和元素扩散上，同时简化了沉淀物形成的热力学和动力学。因此，关于陶瓷颗粒辅助焊接/增材制造过程的数值模拟研究在定量揭示陶瓷颗粒对晶粒生长、元素分布和凝固过程中沉淀物演变的影响方面仍面临困难。因此，需要更综合的建模方法来阐明陶瓷颗粒辅助WAAM中的熔化裂纹抑制机制。

为了解决这些挑战，本研究开发了一种新的PLM策略，在WAAM过程中对铸AlCu5MnCdV合金的TiC颗粒进行预激光熔化（PLM），使用振荡激光束实现预熔化和渗入。然后对含有和不含有PLM TiC的样品的微观结构演变、沉淀行为、裂纹敏感性和力学性能进行了比较分析。基于综合考虑凝固过程中沉淀物效应的热力学-力学模拟和微观结构演变建模，阐明了微观结构调控和裂纹抑制机制。最后，根据微观结构量化了各种强化机制的贡献，明确了微观结构与性能之间的关系。

材料
本研究使用的增材制造（AM）基底为6061-T6铝合金（尺寸：200 mm × 100 mm × 10 mm）。选用了名义直径为1.2 mm的铸AlCu5MnCdV合金填充焊丝作为沉积材料。填充焊丝的化学成分列于表1中。

实验装置和增材制造过程
如图1所示，本实验使用Fronius 400i设备进行，采用冷金属转移（CMT）电弧模式。沉积路径和速度由KUKA KRC-60六轴工业机器人控制系统控制。

构建样品的微观结构表征
图3展示了含有和不含有PLM TiC颗粒的沉积样品的光学显微镜（OM）和EBSD结果。在Origin-AB样品中未观察到显著孔隙，证实了3D打印参数的可靠性（见图3(a)）。内层区域的等轴晶粒和层间区域沿沉积方向排列的柱状晶粒得以形成。此外，晶粒内部形成了点状沉淀物，伴随着连续...

基于CA模拟的PLM TiC诱导的重熔区内晶粒和沉淀物演变动力学
本研究显示，通过添加TiC颗粒，additively制造的部件中的柱状晶粒形态转变为等轴晶粒形态，晶粒有效细化程度从71.4 μm提高到26.8 μm。增材制造的固化过程是晶粒细化和溶质分布的决定性因素，这与固化热力学和动力学直接相关。因此，有必要分析凝固的热力学和动力学...

结论
本研究开发了一种新的PLM TiC策略，用于抑制WAAM高强度铸AlCu5MnCdV合金中的层间熔化裂纹。研究了沉积和后处理过程中的微观结构演变、裂纹抑制机制和强化机制，主要结论如下：
(1) PLM TiC颗粒策略从根本上改变了AB状态下的固化微观结构。原始的粗大柱状晶粒（平均尺寸为...

作者贡献声明
谭 Caiwang：监督、资源获取。
宋 Xiaoguo：监督。
周 Xiaohui：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据管理、概念化。
王 Bingqiu：验证、调查。
臧 Chengwei：验证、监督。
Swee Leong Sing：撰写——审阅与编辑、监督、数据管理、概念化。
韩 Xiaohui：监督、资源管理。
刘 Yazhou：可视化、监督。
刘 Fuyun：监督、资源管理、项目管理。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或可能影响本文工作的个人关系。

致谢
本项目得到了国家自然科学基金（编号52475332）、国家自然科学基金（编号52505360）、山东省自然科学基金（编号ZR2024QE118）和山东省自然科学基金（编号ZR2025MS722）的支持。