3D科学谷曾在《一文看懂铝合金制造在3D打印领域的现状与发展态势》一文中从市场发展态势，粉末材料当前的技术突破，以及铝合金与3D打印技术的多种结合方式，铝合金的应用优势领域，深入分析了铝合金制造在3D打印领域的现状与发展态势。3D打印行业目前正在发生的发展趋势是铝合金材料的全球供应链似乎已经“越过门槛”，成为支持增材制造技术的下一代机遇。
本期，通过节选近期国内铝合金增材制造领域方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略快速发展的铝合金3D打印的研究情况。
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7075铝合金激光熔丝增材制造
热循环和温度梯度对熔池凝固组织的影响研究
高转妮1王磊磊1李响1,2刘志强2吕飞阅1黎一帆1占小红1
1. 南京航空航天大学材料科学与技术学院2. 无锡锐科光纤激光技术有限责任公司
摘要：
7075铝合金兼具高比强度、低密度和良好耐腐蚀性等优点，在航空航天领域应用广泛。基于传统制备方法存在加工过程复杂、材料利用率低及零件表面精度低等问题，使用激光熔丝增材制造技术可在较短时间和较少成本下成型低缺陷高精度的7075铝合金零部件。
研究采用不同工艺参数制备了7075铝合金单层单道和单道多层增材试样，基于有限元方法系统分析了不同激光功率对沉积层温度场分布和微观组织的影响，以揭示热输入诱导的微观组织差异对7075铝合金沉积层硬度的影响机理。
结果表明：随着激光功率从1600 W增加到2200 W，熔池峰值温度提高12.5%，温度梯度从62.8℃/mm减小至12.4℃/mm，沉积结构高温区域面积增大，熔宽增长20.85%，单道多层试样的峰值温度增幅大于单层单道。随着激光功率增加，沉积层上部、中部和下部的晶粒尺寸增大，晶界处第二相析出物含量减少，从底部至顶部均出现柱状晶至等轴晶转变。不同激光功率下增材试样在不同位置的显微硬度均达到90 HV以上。
CMT电弧增材制造
5087铝合金组织与拉伸性能研究
唐作富、陈国瑞、吴广辉
湖南联诚轨道装备有限公司
摘要：
电弧增材制造（WAAM）技术具有沉积效率高、热输入低、成形工艺稳定、力学性能优异等优点，在大尺寸金属构件直接成形领域具有广阔的应用前景。采用基于冷金属过渡（CMT）的WAAM技术成形5087铝合金，研究了单道多层成形工艺及尺寸控制，分析了微观组织结构及拉伸性能。
结果显示：单层高度和宽度的成形尺寸精度≤0.5mm。通过观察样品金相组织发现，晶粒形态呈现明显的柱状晶特征，在试样水平截面，晶粒尺寸分布在10～50μm之间；在垂直截面，晶粒尺寸分布在50～80μm之间。在晶粒内部，枝晶表现为树枝状和胞状共存状态。拉伸测试结果显示：试样最大抗拉强度分布在200～230MPa之间，最大屈服强度分布在100～120MPa之间，伸长率分布在6%～12%之间，电弧增材铝合金内部气孔对试样拉伸性能造成了不利影响。
冷金属过渡电弧增材制造
5183铝合金温度场的数值模拟
贾剑平、李田雨
南昌大学先进制造学院
摘要：
利用有限元分析软件ABAQUS使用生死单元法建立冷金属过渡(CMT)电弧增材制造单道10层5183铝合金模型，模拟分析了增材制造过程中温度场的分布和变化规律，并进行试验验证；采用该模拟方法研究了增材制造路径(单向和交叉路径)、层间冷却时间(20,40,60 s)和焊接速度(400,450,500 mm·min-1)对温度场的影响。
结果表明：模拟得到在CMT电弧增材制造过程中基板某点的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致，且峰值温度和波谷温度与试验结果的相对误差均不大于8.93%,验证了模型的准确性。随着堆焊层数的增加，熔池峰值温度升高，熔池区域变大；单向路径增材制造会在试样收弧端产生较严重的热积累，而交叉路径可以减弱热积累效应；层间冷却时间越长，焊道中点的峰值温度越低，且降低幅度随冷却时间的延长而逐渐减弱；焊道的峰值温度和波谷温度随焊接速度的增加而降低。
5556铝合金CMT增材单道成形
质量及尺寸预测模型研究
李博1刘岩2周桂申1杨栈琳1张文广1
1. 沈阳大学机械工程学院2. 沈阳大学辽宁省先进材料制备技术重点实验室
摘要：
目的：研究不同参数下5556铝合金CMT增材单道成形质量及尺寸预测模型。方法 利用游标卡尺和钢直尺，对增材试样截面的余高、熔宽、成形高度及成形宽度进行测量，并且使用SPSS、Excel及Origin等软件进行尺寸预测模型的建立及验证。
结果：对于单层单道增材试样，随着焊接电流从60 A增至140 A，其余高、熔宽均整体呈上升趋势，并且余高的增长速度远小于熔宽的增长速度；随着焊接速度从300 mm/min增至1 100 mm/min，其熔宽、余高均呈下降趋势，但当焊接速度超过700 mm/min时，熔宽的变化较小；随着气体流量从10L/min增至25L/min，余高的变化幅度较小，但熔宽的变化幅度较大。对于多层单道增材试样，随着焊接速度从400 mm/min变为800 mm/min，其成形高度和宽度均变小；随着焊接电流从90 A变为130 A以及层间停留时间从1 min变为5 min，其成形高度和宽度均变大。通过多层单道增材实验和尺寸预测模型可知，焊接电流与增材试样的宽度呈正相关，焊接速度与增材试样的高度和宽度皆呈负相关。
结论：单层单道增材试样的熔宽主要受焊接电流的影响，而余高主要受焊接速度的影响。在焊接电流为100 A、焊接速度为500 mm/min、气体流量为22.5 L/min条件下，单层单道增材试样的成形质量最优。对比相同工艺参数下多层单道增材试样与尺寸预测模型的成形宽度和成形高度可知，二者误差皆在10%以内。
附加水冷对电弧增材制造
4047铝合金构件组织与力学性能的影响
吴凯、卜智翔、况小草、魏李庚、王立世
湖北工业大学
摘要：
为解决电弧连续增材时，由于热积累效应导致堆敷层的塌陷问题，在基板底部加装水冷铝板，制备了水冷断续、水冷连续两种不同工艺的4047铝合金直壁构件，并制备无水冷条件下的增材构件作为对照.通过对比3种工艺条件下的构件基板热循环曲线、晶粒形貌、抗拉强度、硬度和断后伸长率，研究水冷条件对增材构件宏观形貌、微观组织和力学性能的影响。
结果表明，水冷断续条件能够有效降低热量积累，增材构件侧壁更加平整.水冷连续条件下增材直壁构件成形最好，两端无塌陷产生，且成形效率最高. 3种增材构件底部晶粒都以等轴晶为主，其余部位都以柱状晶和树枝晶为主。水冷连续条件下构件的晶粒尺寸最大，水冷断续条件下晶粒尺寸最小。各增材工艺制备的构件力学性能与ZL102铸造铝合金相当，其中水冷断续工艺制备的增材构件力学性最好.
层间等待时间对4043铝合金
电弧增材制造成形质量的研究
杨启杰1黄斌1雷声远2
1. 广西机电职业技术学院2. 广西大学资源环境与材料学院
摘要：
预设8 mm焊道宽度，采用不同层间等待时间进行4043铝合金的单道多层电弧增材制造试验，借助金相显微镜、万能试验机研究了层间等待时间对电弧增材件的外观形貌、显微组织和力学性能的影响。
结果表明，层间等待时间是焊道增材高度、焊道侧表面粗糙度和厚度均匀性的关键因素。当层间等待时间为20～30 s时，外观成形质量良好，拉伸性能最优。随着层间等待时间的增加，晶粒逐渐细化。层间等待时间为0～30 s时，硬度呈中部低，底部、顶部高的分布；当层间等待时间为40 s时，硬度从底部到顶部呈下降趋势。
2319铝合金电弧增材制造
温度场与应力演变研究
耿汝伟1程延海1杜军2魏正英2
1. 中国矿业大学机电工程学院2. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
摘要：
构建2319铝合金电弧增材制造热-弹-塑性有限元模型(FEM),计算成形过程瞬态温度场和熔合线附近温度梯度，分析工艺参数对熔池温度场的影响。研究不同工艺参数下熔池温度场分布规律，结果表明，温度梯度随电流的增加和基板移动速度的减小而增加。在温度场计算的基础上，利用热-弹-塑性有限元模型研究电弧增材过程残余应力的演化和分布规律。单道沉积情况下基板上纵向应力为压应力，沉积层内为拉应力，且纵向应力在数值上与等效应力接近，最大应力出现在沉积层中间部分。研究工艺参数对沉积层应力的影响规律，结果表明，提高基板移动速度可以降低沉积层内部的等效应力和纵向应力，而增大电流则会使沉积层内的等效应力和纵向应力增大。结合温度场结果可知，熔池内温度梯度与残余应力的大小呈正相关关系。
电弧增材制造2319铝合金交叉
桁条结构微观组织与拉伸性能研究
王磊磊1吕飞阅1高转妮1虞文军2高川云2占小红1
南京航空航天大学材料科学与技术学院2. 成都飞机工业(集团)有限责任公司
摘要：
电弧增材制造具有材料利用率高、制造效率高、制造成本低等优势，适合制造大型复杂航空薄壁构件。目前，交叉桁条结构电弧增材制造的路径规划、成形形貌控制、组织性能差异性等方面缺乏系统研究。针对交叉桁条结构提出了一种新的分层切片及路径规划方法，解决了桁条交叉区域余高过大导致的制造精度不足问题。开展了电弧增材制造2319铝合金交叉桁条不同区域的晶粒形态、元素分布、拉伸性能、断口形貌等检测与分析，
结果表明，电弧增材制造2319铝合金交叉桁条结构不同区域的晶粒形态及尺寸呈现明显差异，致使桁条顶部的平均抗拉强度值与中部、底部相比高出20%左右。在拉伸断口的韧窝中存在大量θ(Al2Cu)颗粒相，该非共格析出相增大了晶格畸变能并且提升位错阻力，使晶体滑移难以进行，最终材料的强度显著提高。
电弧增材制造航空AA2024铝合金
的微观结构及其腐蚀行为研究
赵海洋1,2高多龙1,2张童3吕由3张宇鹏3张欣欣3石鑫1,2魏晓静1,2刘冬梅1,2董泽华3
1. 中国石油化工股份有限公司西北油田分公司2. 中国石化缝洞型油藏提高采收率重点实验室3. 华中科技大学化学与化工学院
摘要：
研究了电弧增材制造 (WAAM) 航空 AA2024 铝合金的微观组织结构及其腐蚀行为。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜 (TEM) 和能量色散 X 射线光谱仪 (EDX)，研究了该铝合金腐蚀前后的微观组织结构以阐明其腐蚀行为。
结果表明，电弧增材制造AA2024铝合金中，存在熔池区 (MPZ)、熔池边界区 (MPB) 和热影响区(HAZ)。3 个区域中均存在以孤立或成簇的形式存在的 S 相 (Al2CuMg)、θ 相 (Al2Cu) 和 α 相 (AlFeMnSi) 金属间化合物 (IM)。相对MPZ和HAZ,MPB显示出更高的局部腐蚀敏感性，这与IM的脱合金化行为密切相关。
电弧增材制造2024
铝合金的微观组织与力学性能
吴东江、刘德华、张子傲、张逸伦、牛方勇、马广义
大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室
摘要：
采用电弧增材制造工艺制备了三元Al-Cu-Mg (2024)铝合金成形试样，并对试样的晶粒形貌、物相组成、元素分布与力学性能进行研究。结果表明，2024铝合金成形试样宏观上表现出层状特征，单一沉积层可以分为层间区域与层中区域2部分，晶粒形貌由层中区域的等轴晶转变为层间区域的柱状晶；成形试样微观组织主要包括α-Al、θ-Al2Cu与S-Al2CuMg相；由于增材制造非平衡凝固过程，成形试样出现元素偏析，层中区域Mg元素在Al基体中均匀分布；电弧重熔作用下，层间区域元素偏析严重，Cu元素以共晶组织的形式在晶界偏析，Mg元素出现局部富集；成形试样的平均抗拉强度、屈服强度与断后伸长率分别为(323.5±6.6) MPa、(178.7±6.2) MPa和(9.03±0.67)%，高于铸造退火态2024铝合金的力学性能；由于微观组织的不同，层中区域与层间区域出现不同的裂纹扩展行为，层间区域裂纹沿着共晶组织分布路径扩展，表现为沿晶断裂，层中区域裂纹扩展模式变为穿晶断裂。
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