多系列鋁合金電弧增材制造技術(shù)研究進(jìn)展

董博倫， 蔡笑宇， 夏云浩， 林三寶

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001

0 前言

電弧增材制造是一種以電弧為熱源，金屬絲材為填充材料，按照既定路徑逐層堆積成形三維零件的增材制造技術(shù)［1］。依據(jù)ASTMF42標(biāo)準(zhǔn)對(duì)增材制造技術(shù)的分類，電弧增材制造屬于直接能量沉積的一種。與其他以高能束（激光、電子束）為熱源的增材制造技術(shù)相比，電弧增材制造可以使用常規(guī)電弧焊接設(shè)備，并以絲材為原材料，展現(xiàn)出成本低廉、原材料利用率高、制造效率高的特點(diǎn)；制造過程無需使用充氬艙，在大尺寸結(jié)構(gòu)的成型上顯示出了獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)［2］。得益于電弧陰極清理的特性，電弧增材制造技術(shù)對(duì)于鋁合金，尤其是高強(qiáng)鋁合金來說具有獨(dú)特的適應(yīng)性。使用交流或變極性電流時(shí)，電弧能夠去除鋁合金表面氧化膜，從而降低氧化物夾雜和氣孔的敏感性。另一方面，電弧的能量與高能束熱源相比分布更為分散，沉積金屬的升溫和冷卻速度較慢，有利于降低高強(qiáng)鋁合金的熱裂紋敏感性。鋁合金電弧增材制造自2002年在5356鋁合金中進(jìn)行可行性驗(yàn)證后，近20年來一直是研究的熱點(diǎn)。目前已先后對(duì)Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Cu-Mg 和 Al-Mg-Si多個(gè)系列合金開展了研究工作。

1 Al-Cu系鋁合金電弧增材制造研究

對(duì)于Al-Cu系合金，由于其強(qiáng)度較高，加工工藝性好，在航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其中以2219和2319鋁合金為代表。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Bai［3］等人針對(duì)2219鋁合金電弧增材制造技術(shù)展開研究，結(jié)合溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究了2219鋁合金電弧增材制造過程的組織演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)材料在增材制造過程中的熱循環(huán)可以按峰值溫度不同分為熔化熱循環(huán)、熔點(diǎn)熱循環(huán)、后熱熱循環(huán)，單道多層試樣的頂部區(qū)域?yàn)槿刍療嵫h(huán)的作用結(jié)果，層間區(qū)域?yàn)槿埸c(diǎn)熱循環(huán)的作用結(jié)果，層內(nèi)區(qū)域則為熔化熱循環(huán)和后熱熱循環(huán)的作用結(jié)果。對(duì)電弧增材制造沉積的2219鋁合金進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)2219鋁合金的平均抗拉強(qiáng)度為237 MPa，僅達(dá)到T6態(tài)材料的57%。由于材料中沿晶界網(wǎng)狀分布的殘余結(jié)晶相為材料的主要薄弱點(diǎn)，沉積態(tài)2219鋁合金幾乎未表現(xiàn)出力學(xué)性能各向異性，如圖1所示［4］。

圖1 沉積態(tài)2219鋁合金不同方向拉伸性能［4］Fig.1 Tensile propertiesofas-deposited 2219-Al along different directions［4］

北京航空航天大學(xué)的Cong等人［5］對(duì)比研究了單道多層和多道多層沉積的2319鋁合金組織與力學(xué)性能特征，發(fā)現(xiàn)多道多層沉積試樣中孔隙缺陷較少，且組織特征隨沉積路徑的變化較大。2018年，洛克希德馬丁公司的Ryan等人［6］研究了焊絲牌號(hào)、CMT模式、送絲速度和沉積速度對(duì)電弧增材制造2319鋁合金中孔隙缺陷的影響，發(fā)現(xiàn)CMT模式，送絲速度和沉積速度對(duì)孔隙缺陷的影響并不大，而焊絲的表面質(zhì)量對(duì)孔隙缺陷的影響很大，表面質(zhì)量較為粗糙的焊絲更容易產(chǎn)生缺陷。北京工業(yè)大學(xué)的Ma等人［7］通過X射線CT研究了CMT增材制造205A鋁合金在拉伸過程中的變形行為，發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)材料中有大量孔隙缺陷，Al2Cu相的尺寸較為粗大，拉伸測(cè)試時(shí)表現(xiàn)出韌性斷裂主導(dǎo)的斷裂模式，但在孔隙缺陷附近存在局部的脆性斷裂區(qū)。西北工業(yè)大學(xué)的Zhou等人［8］研究了沉積速度對(duì)電弧增材制造2319鋁合金組織與力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著沉積速度的提高，沉積態(tài)組織中等軸晶的尺寸與體積分?jǐn)?shù)減小，并催生了θ相的產(chǎn)生，沉積態(tài)材料的力學(xué)性能也有所提高。

2 Al-Mg系鋁合金電弧增材制造研究

Al-Mg系合金從鋁合金電弧增材制造的早期研究開始就受到了重視。2002年，南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)的Ouyang等人［9］通過工藝試驗(yàn)，組織與力學(xué)性能的表征驗(yàn)證了電弧增材制造制備5356鋁合金的可行性，發(fā)現(xiàn)采取預(yù)熱、弧長(zhǎng)反饋控制能夠獲得較好的成形，沉積態(tài)5356鋁合金的組織與力學(xué)性能存在著區(qū)域不均勻性。武漢大學(xué)的Zhang等人［10］研究了CMT工作模式對(duì)電弧增材制造Al-6Mg合金組織與力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)VP-CMT模式能夠獲得更加細(xì)小的晶粒，沉積態(tài)Al-6Mg的拉伸性能達(dá)到鍛件的標(biāo)準(zhǔn)，但力學(xué)性能存在各向異性。北京科技大學(xué)的Zhang等人［11］對(duì)VP-CMT增材制造的ER5183鋁合金進(jìn)行了組織與力學(xué)性能研究，發(fā)現(xiàn)在熱積累的作用下，從底部向上晶粒尺寸從37 μm逐漸增加至65 μm，顯微硬度從98.7 HV降低至76.4 HV。西安交通大學(xué)的Li等人［12］研究了保護(hù)氣成分對(duì)電弧增材制造5356鋁合金組織與力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)保護(hù)氣中摻入N2后沉積層寬度變窄，高度增加，平均晶粒尺寸減小43.5%～47.8%，但是由于生成了脆性氮化物，試樣的抗拉強(qiáng)度和塑性都顯著降低。

3 Al-Si系鋁合金電弧增材制造研究

對(duì)于Al-Si系合金，由于其工藝性較好，也受到了部分學(xué)者的關(guān)注。2004年，南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)的Wang等人［13］采用基于VP-GTAW工藝的新型沉積技術(shù)對(duì)4043鋁合金開展了組織與力學(xué)性能的研究，發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)試樣頂部為細(xì)小的枝晶結(jié)構(gòu)，中部和底部為粗大的柱狀晶和胞狀晶，析出相主要分布在枝晶間隙和晶界上，沉積態(tài)試樣的硬度從底部向上逐漸增加。麥吉爾大學(xué)的Heard等人［14］針對(duì)4047鋁合金開展了受控短路過渡GMA增材制造工藝研究，發(fā)現(xiàn)使用該工藝并配合柵格路徑可以達(dá)到細(xì)化晶粒，細(xì)化共晶Si的效果，增材制造得到的材料抗拉強(qiáng)度達(dá)388 MPa，延伸率達(dá)到18%，超過鑄造材料的性能。上海工程技術(shù)大學(xué)的Wang等人［15］對(duì)CMT電弧增材制造的4043鋁合金進(jìn)行了組織表征與力學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)試樣中部的組織與頂部和底部相比更粗大，沉積態(tài)材料的力學(xué)性能與鍛造材料相當(dāng)。對(duì)沉積態(tài)試樣進(jìn)行了預(yù)疲勞處理，發(fā)現(xiàn)其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所增加。

4 Al-Cu-Mg和Al-Mg-Si系鋁合金電弧增材制造研究

近年來對(duì)Al-Cu-Mg和Al-Mg-Si系列合金也進(jìn)行了初步的研究。2018年，北京航空航天大學(xué)的Qi等人［16］對(duì)電弧增材制造的2024鋁合金開展了熱處理工藝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在503 ℃固溶后自然時(shí)效，材料的顯微硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別達(dá)到143 HV、330 MPa、497 MPa和16%，超過相應(yīng)鍛造材料的性能。北京航空航天大學(xué)的Qi等人［17］采用雙送絲GTA增材制造，同時(shí)向熔池中填加Al-Cu焊絲和Al-Mg焊絲，制備了多種不同成分的Al-Cu-Mg合金，并進(jìn)行了組織表征與力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明，隨著Cu/Mg比例的增加，沉積態(tài)金屬的顯微硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增加。圖2為不同成分沉積態(tài)Al-Cu-Mg合金的力學(xué)性能。

圖2 不同成分Al-Cu-Mg合金的拉伸性能［17］Fig.2 Tensile properties of different Al-Cu-Mg alloys ［17］

2018年，燕山大學(xué)的Gu等人［18］使用雙絲GMA增材制造技術(shù)成功制備了不同成分的Al-Cu-Mg合金，隨后對(duì)CMT電弧增材制造的Al-Cu4.3-Mg1.5合金進(jìn)行了熱處理、組織表征與力學(xué)性能測(cè)試［19］，發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)合金中存在大量鏈狀的孔隙缺陷，經(jīng)熱處理后這些缺陷的數(shù)密度減小，但平均尺寸與體積分?jǐn)?shù)增加。熱處理后材料中的殘余結(jié)晶相減少95%，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到399 MPa和485 MPa。北京航空航天大學(xué)的Qi等人［20］采用雙送絲GTA增材制造，向熔池中同時(shí)填加ER5087焊絲和ER4043焊絲，制備了Al-3.1Mg-2.0Si合金，并對(duì)其組織性能進(jìn)行了表征。發(fā)現(xiàn)合金的相組成主要為 α-Al、Mg2Si和 Al9Si，合金顯微硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為54.7 HV、76.6 MPa、176 MPa和11.4%。

5 Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金電弧增材制造研究

Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金是高性能鋁合金，具有較高的比強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性能，是現(xiàn)代航空飛行器的主要結(jié)構(gòu)材料。對(duì)于尺寸較大、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如飛機(jī)機(jī)身長(zhǎng)桁、龍骨梁、翼肋等，目前主流的“等材制造”和“減材制造”存在工藝復(fù)雜、柔性化程度低、材料浪費(fèi)嚴(yán)重等問題。采用增材制造技術(shù)可簡(jiǎn)化制造工藝，快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更新，有效降低制造成本。但是Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金焊接工藝性較差，因此電弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金近幾年才步入發(fā)展。2020年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Dong等人［21］采用變極性TIG電弧為熱源，進(jìn)行了7055鋁合金的電弧增材制造，利用能量相對(duì)發(fā)散的TIG電弧成功獲得了完整無裂紋的單墻體增材試件，如圖3所示。組織表征結(jié)果表明，沉積態(tài)金屬中存在大量孿生枝晶，影響晶粒變形均勻性；力學(xué)性能方面，沉積態(tài)7055鋁合金的平均屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率分別為148.3±15.9 MPa、230.7±12.0 MPa和3.3%±1.0%。此外Dong等人［22］研究了不同層間溫度對(duì)于沉積態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金微觀組織的影響，并對(duì)孿生枝晶生長(zhǎng)和增材熱循環(huán)驅(qū)動(dòng)的相析出這兩大組織特征進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明較高的層間溫度導(dǎo)致孿生枝晶取向不均勻，晶粒細(xì)化，但是層間溫度對(duì)于動(dòng)態(tài)析出行為影響有限。沉積合金經(jīng)“雙級(jí)固溶+時(shí)效”熱處理后，晶界上分布的網(wǎng)狀殘余結(jié)晶相大量溶解，基體中析出了共格的η'相，使得合金的力學(xué)性能得到顯著提升。試件水平方向屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率達(dá)482.0 MPa、564.2 MPa和7.61%，豎直方向分別為467.8 MPa、536.8 MPa和5.39%。此外為滿足實(shí)際增材制造成形精度需要，Cai等人［23］建立了該合金的沉積過程的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了電弧增材制備Al-Zn-Mg-Cu合金過程中層高層寬的精準(zhǔn)控制。

圖3 TIG電弧沉積7055鋁合金試件［21］Fig.3 7055 aluminum alloy specimen deposited by TIG arc［21］

北京工業(yè)大學(xué)的Yu等人［24］采用同步送進(jìn)ER5356、ER2319以及Zn焊絲的方法成功沉積了Al-Zn-Mg-Cu合金并對(duì)其微觀組織進(jìn)行研究，結(jié)果表明，每層沉積層中均包含柱狀晶粒和等軸晶粒；力學(xué)性能方面，水平方向抗拉強(qiáng)度為241 MPa，垂直方向抗拉強(qiáng)度為160 MPa，斷口形貌表現(xiàn)出典型的脆性斷裂特征。北京理工大學(xué)的Guo等人［25］也嘗試?yán)秒娀≡霾闹圃旆椒ǔ练e了Al-Zn-Mg-Cu合金，結(jié)果表明沉積態(tài)合金中存在較多氣孔缺陷，并采用熱處理提高力學(xué)性能，優(yōu)化后的熱處理參數(shù)為470 ℃固溶處理2 h和120 ℃人工時(shí)效65 h，熱處理后抗拉強(qiáng)度從226 MPa提高到562 MPa，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到5%以上，與常規(guī)變形Al-Zn-Mg-Cu合金相當(dāng)。Xu等人［26］通過定量熱循環(huán)研究了沉積態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金微觀組織演變，明確了熱循環(huán)對(duì)微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致此前沉積層發(fā)生重熔，顯微硬度的差異是由熱循環(huán)影響析出相析出行為所導(dǎo)致的，其中經(jīng)歷4～7次熱循環(huán)的組織顯微硬度最高。

針對(duì)電弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金中存在的一系列組織問題，眾多學(xué)者分別從工藝優(yōu)化、冶金調(diào)整等方面進(jìn)行嘗試。為進(jìn)一步改善沉積態(tài)合金的晶粒構(gòu)成，Yuan等人［27-28］從冶金角度出發(fā)制備了含有TiN顆粒的Al-Zn-Mg-Cu合金，實(shí)現(xiàn)了組織的晶粒細(xì)化，原本的柱狀晶粒被完全消除，晶粒取向得到優(yōu)化，如圖4所示。晶粒形態(tài)和尺寸的變化使得含有TiN的Al-Zn-Mg-Cu合金克服了沉積態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金強(qiáng)度高塑性差的問題。熱處理后晶粒變化不大，抗拉強(qiáng)度達(dá)470 MPa，延伸率達(dá)到8.9%。為了減少沉積態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的熱裂紋數(shù)量，Klein等人［29］設(shè)計(jì)了成分為Al3.6Zn5.9 Mg0.5Mn0.3Cu的Al-Zn-Mg-Cu合金并沉積了無裂紋的Al-Zn-Mg-Cu合金，熱處理后強(qiáng)度達(dá)340 MPa，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)11%，各方向力學(xué)性能相同。

圖4 添加TiN顆粒后晶粒尺寸與形態(tài)變化［27］Fig.4 Change of grain size and morphology after adding TiN particles［27］

為提升沉積態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的力學(xué)性能，F(xiàn)u等人［30］提出三級(jí)固溶時(shí)效熱處理工藝對(duì)沉積態(tài)7055合金進(jìn)行嘗試，熱處理后力學(xué)性能提升明顯，抗拉強(qiáng)度達(dá)到563 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為10%。針對(duì)Al-Zn-Mg-Cu合金的沉積過程中Zn蒸發(fā)燒損引起的組織缺陷問題、強(qiáng)化相的數(shù)量減少問題，Liu等人［31］提出激光電弧復(fù)合增材制造方法，結(jié)果表明Zn的蒸發(fā)量由單純電弧增材制造技術(shù)的8.3%降低至2.5%，并且晶粒尺寸減小兩倍，沉積態(tài)下屈服強(qiáng)度為226 MPa。工藝優(yōu)化方面，Wang等人［32］對(duì)于冷金屬過渡技術(shù)沉積Al-Zn-Mg-Cu合金中的反/正極性比值（EP/EN值）的影響進(jìn)行了深入探討。結(jié)果表明，當(dāng)EP/EN值過低時(shí)，低熱輸入對(duì)于成形精度產(chǎn)生負(fù)面影響，EP/EN值過高時(shí)，高熱輸入使得熔池流動(dòng)性增加也影響成形精度，最終確認(rèn)EP/EN值為13∶7時(shí)，成形精度最佳，沉積過程穩(wěn)定。

6 鋁合金電弧增材制造的缺陷及解決方法

不同系列鋁合金電弧增材現(xiàn)狀表明電弧增材制備的鋁合金力學(xué)性能已達(dá)到鍛造合金水平，但是仍然存在組織缺陷問題，嚴(yán)重影響其工業(yè)化應(yīng)用。主要的缺陷形式為孔隙和裂紋，下面將針對(duì)這些缺陷及解決辦法分別進(jìn)行介紹。

鋁合金電弧增材制造中，除Al-Si合金外其余系列鋁合金均存在較為嚴(yán)重的孔隙缺陷問題，主要分為氣孔缺陷和縮孔缺陷。氣孔缺陷不僅源于氫在鋁合金中溶解度的變化，還與Mg和Zn等元素的蒸發(fā)有關(guān)［33-34］，然而在目前的研究中合金元素蒸發(fā)帶來的力學(xué)性能下降較孔隙形成更受關(guān)注。此外孔隙的形成多與氧化物雜質(zhì)有關(guān)，沉積層間較多的孔隙缺陷使鋁合金的力學(xué)性能呈現(xiàn)方向性?？紫度毕菰诔惺茌d荷時(shí)會(huì)成為應(yīng)力集中區(qū)域，易加速裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致構(gòu)件失效。在電弧增材過程中，由于陰極清理作用的存在，鋁合金組織中氫氣孔數(shù)量的控制較其他增材方法有一定優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步解決合金中的孔隙缺陷問題，F(xiàn)u等人［30］利用熱絲電弧增材制造技術(shù)解決了沉積態(tài)Al-Zn-Mg-Cu中的孔隙問題，最終獲得的沉積態(tài)樣品孔隙率為0.18%。Gu等人［35］使用層間軋制工藝改善了電弧增材制造的沉積態(tài)2319和5087鋁合金中氣孔缺陷情況。采用層間滾壓工藝后，沉積態(tài)2319鋁合金孔隙體積占比從0.176%降低至0.005%，5087鋁合金孔隙體積占比從0.232%降低至0.007%，隨著滾壓力進(jìn)一步增加，最終孔隙被完全焊合，難以在光學(xué)顯微鏡下被觀察。Guo等人［36］在7055鋁合金中加入了0.23%的Sc，通過改善凝固行為進(jìn)一步減少了微觀組織中的孔隙缺陷。Zhang等人［37］研究了基板振動(dòng)對(duì)CMT電弧增材制造Al-6Mg合金組織與力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)基板振動(dòng)會(huì)引起熔池同頻震動(dòng)改變?nèi)鄢貙?duì)流，打碎較長(zhǎng)枝晶，增加形核質(zhì)點(diǎn)，阻礙晶粒長(zhǎng)大，促進(jìn)氣體逸出，減少氣孔。凝固行為的改善不僅使晶粒細(xì)化了22.5%，還抑制了凝固縮孔的產(chǎn)生。Qi等人［38］將超音頻脈沖引入2024鋁合金的GTA電弧增材中，發(fā)現(xiàn)超音頻脈沖能夠有效控制孔隙缺陷，如圖5所示。目前來看，采用合適的工藝方法和成分設(shè)計(jì)手段，可有效控制電弧增材制造技術(shù)制備的多系列鋁合金中孔隙數(shù)量和體積占比。

圖5 電弧增材2024鋁合金孔隙分布情況［38］Fig.5 Porosity statistical results of WAAM 2024 aluminum alloys［38］

電弧增材制造鋁合金構(gòu)件中還易于產(chǎn)生熱裂紋，其中Al-Cu和Al-Zn-Mg-Cu合金由于擁有較寬的凝固范圍，熱裂紋敏感性較大［39］。液相線和固相線之間的凝固區(qū)間使得一次結(jié)晶組織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中的液態(tài)金屬在固相附近流動(dòng)性有限。當(dāng)一次結(jié)晶金屬以柱狀枝晶方式凝固時(shí)，開裂敏感性進(jìn)一步增強(qiáng)。從缺陷產(chǎn)生原理出發(fā)，選用合適工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)合金成分，改善凝固行為可以減少裂紋傾向。Gu等人［18］研究了Al-Cu-Mg合金的成分對(duì)其熱裂紋敏感性的影響，發(fā)現(xiàn)Cu含量在4.2%～6.3%，Mg含量在0.8%～1.5%范圍內(nèi)的合金對(duì)熱裂紋不敏感。顯微硬度較高的合金成分以及較小的熱輸入更有利于避免熱裂紋的產(chǎn)生。Klein等人［40］使用TiB2對(duì)電弧增材制造的6063鋁合金進(jìn)行合金化，獲得了無裂紋、晶粒尺寸小于30 μm的全等軸晶沉積態(tài)組織。針對(duì)高性能鋁合金如2024和6061鋁合金由于熱裂紋等凝固問題難以實(shí)現(xiàn)增材制造，Chi等人［41-42］通過添加少量納米顆粒來改性合金成分，利用電弧增材制造技術(shù)制備了含納米顆粒的無裂紋6061鋁合金和2024鋁合金構(gòu)件。盡管裂紋是鋁合金電弧增材的常見缺陷，但是已有研究表明，在多系列鋁合金電弧增材中可通過優(yōu)化工藝參數(shù)和調(diào)節(jié)合金成分完全消除裂紋。

此外，晶粒形態(tài)不均勻與晶間脆性第二相也嚴(yán)重影響電弧增材制造鋁合金構(gòu)件的力學(xué)性能表現(xiàn)。學(xué)者們往往通過加入形核促進(jìn)元素或化合物來進(jìn)行成分改性，實(shí)現(xiàn)組織均勻化。針對(duì)7055和5A06鋁合金的柱狀晶粗大問題，Guo等人［36］和Ren等人［43］加入Sc元素以促進(jìn)非均勻形核，成功實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，得到均勻的微觀組織。Yuan等人［27-28］和Chi等人［41-42］則通過添加陶瓷顆粒實(shí)現(xiàn)電弧增材Al-Zn-Mg-Cu合金的組織均勻化。針對(duì)晶間脆性第二相，學(xué)者們多采用熱處理方法進(jìn)行消除［16，19，22，29-30］，并使合金化元素以彌散形式析出，從而提高力學(xué)性能。

7 結(jié)論及展望

綜上所述，鋁合金電弧增材制造工藝是飛機(jī)、航天零部件等工業(yè)應(yīng)用中需要大規(guī)模采用的重要制造工藝。已有研究證明，多種系列的鋁合金均可通過電弧增材進(jìn)行制造，通過對(duì)沉積件使用合適的工藝方法和后處理，可以消除缺陷，提高力學(xué)性能至傳統(tǒng)鑄造以及變形鋁合金水平。目前鋁合金電弧增材制造的缺陷敏感性、組織與力學(xué)性能特征已基本明確。對(duì)于研究較多的體系如Al-Cu、Al-Si和Al-Mg鋁合金，目前研究重心已逐漸轉(zhuǎn)向缺陷控制、復(fù)合化工藝開發(fā)。雖然近年來鋁合金電弧增材領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展，但是目前該領(lǐng)域還存在一些挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在缺陷消除、組織性能均勻化、成形精度控制以及增材熱循環(huán)下組織的演變機(jī)制等，有待后續(xù)研究進(jìn)一步完善。值得一提的是，近年來隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，鋁合金電弧增材制造領(lǐng)域也開始采用這些技術(shù)來優(yōu)化工藝和預(yù)測(cè)零件性能。

展望未來，隨著材料科學(xué)、制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金電弧增材制造技術(shù)將會(huì)迎來更加廣闊的應(yīng)用前景。未來的研究方向包括：進(jìn)一步探究電弧增材制造過程中的物理和化學(xué)機(jī)制，探索更加有效的控制工藝參數(shù)的方法，研究合適的后處理工藝，發(fā)展更加智能化的鋁合金電弧增材制造技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更高效、更精準(zhǔn)、更可靠的鋁合金零件制造。