孔隙率一直是金属3D打印的重要冶金缺陷，它不仅会降低零件的疲劳寿命，更会降低静态机械性能。近日，北京理工大学的研究人员发表研究论文，发现通过控制应变可以有效地消除沿沉积方向的微孔隙分布，最终将采用电弧3D打印的Al-Li合金屈服拉伸强度提高了199％，极限拉伸强度增加了168％，伸长率增加了460％。

　　铝锂合金作为关键的轻质结构材料之一，因其低密度、高比强度和刚度而受到广泛关注，在航空航天工业中得到广泛应用。2020年12月，我国首个3.35米直径铝锂合金火箭贮箱在火箭院诞生，在该型贮箱的制造与攻关中，搅拌摩擦焊位列8大关键技术之中，该技术同时也可以转化为一种增材制造工艺。

　　WAAM电弧熔丝3D打印技术，是一种利用逐层熔覆原理，采用惰性气体保护的电弧增材制造工艺。目前，该工艺可成型一系列铝合金，包括Al–Cu合金（2xxx），Al–Mg–Si合金（6xxx）和Al–Zn合金（7xxx）等。微孔隙率对铝锂合金强度和韧性的不利影响使其成为该材料电弧3D打印的主要缺陷之一。了解和分析WAAM过程中微孔隙的空间分布、热处理后微孔隙的演化特征以及抑制微孔隙的方法对提高铝锂合金的力学性能具有重要意义。

　　对此，北京理工大学王俊升教授研究了使用WAAM技术制造的AA2196 Al-Li合金的微孔缺陷。AA2196作为一种新型的铝锂合金，具有高模量、高比强度等优良性能，以及出色的抗损伤性能。随着航空航天制造业的发展，对铝结构件的复杂几何结构提出了很高的要求。增材制造在解决这些问题方面具有优势。

　　研究人员讨论了热变形和热处理对WAAM AA2196 Al-Li合金微孔缺陷的影响。对样品的微孔形态和分布以及力学性能进行了表征和分析。此外，提出了一种减少WAAM Al-Li合金微孔率并促进析出强化的方法，这对提高WAAM AA2196合金的力学性能具有重要意义。相关研究成果以题“Improving mechanical properties of wire arc additively manufactured AA2196 Al–Li alloy by controlling solidification defects”发表在金属顶刊Additive Manufacturing上。

　　WAAM沉积原理及打印的2196 Al-Li合金样件

　　通过电弧3D打印的2196 Al-Li合金由柱状晶和等轴晶（平行于电弧移动方向）组成。经过23％和42％的热变形后，合金中的连续共晶网络结构被破碎成小块，均匀地分布在基质金属中，几乎没有大的共晶相。尽管在沉积态合金中只发现很少的微孔，但经过T6热处理后大量的微孔成核并生长。

　　电弧3D打印的2196 Al-Li合金的微观结构分布：（a）晶粒尺寸表征，和（b）晶粒尺寸分布。

　　合金中复杂的微孔形态通常很难通过金相观察来检测。尽管可以通过SEM在WAAM 3D打印的2196 Al-Li合金中观察到微孔的平面分布，但由于它们仅限于二维平面，因此无法可视化微孔的三维空间特征。

　　为此，研究人员采用XCT对打印件进行了检测，提取微孔并标记为蓝色。检测结果显示，微孔随机分布在沉积样品中，但在层间边界区域中发现了微孔链。显然，微孔的聚集总是在层间边界区域，从而形成了多孔介质的高密度链。与沉积态打印件相比，层间边界区域的微孔通过T6热处理后数量增加，并且微孔的尺寸也显示出增大的趋势。随着变形从23％增加到42％，微孔的大小和数量逐渐减小。需要注意的是，在23％的热变形后微孔的尺寸没有被抑制，直到变形量达到42％。因此得出结论，除非增加热变形的量，否则其余的微孔仍然分布在层间边界区域中。

　　铝锂合金沉积态、T6、23％热变形+ T6和42％热变形+ T6条件下，材料内部微孔聚集和最大的微孔形态的3D视图

　　机械性能的测试显示了让人惊讶的结果。沉积态样品的硬度值为103HV，T6热处理之后为138HV，增加了34％；42％热变形后的硬度值达到151HV，相比沉积态增加了47％。沉积态合金的平均屈服强度、拉伸强度和延伸率分别为187Mpa、262MPa和1.5％；经过T6热处理后，三项指标分别达到286Mpa、376Mpa和7.2％，分别增加了152％、143％和380％；经过42％的热变形处理后，平均屈服强度和拉伸强度达到372MPa和439MPa，与23％的热变形基本相同，但23％的热变形后的伸长率仅为0.9％，而经42％的热变形后则达到6.9％，这些数据远远超过沉积态的性能。

　　铝锂合金沉积态、T6、23％热变形+ T6和42％热变形+ T6条件下，材料的平均屈服、拉伸强度和和伸长率

　　在不同条件下，2196 Al-Li合金中微孔的等效直径分布频率：（a）WAAM沉积态 ；（b）T6；（c）23％的热变形+  T6热处理；（d）42％热变形+ T6热处理

　　沉积态铝锂合金中微孔的形成主要是因为氢的过饱和度，由于3D打印熔凝速度非常快，在液固转变时氢的溶解度突然变化导致氢过饱和且无法及时溢出，导致熔凝之后形成氢气孔。因此，沉积态中微孔沿熔化路径分布，并且由于重复熔化造成在层间形成更高密度的微孔链。热变形过程可以将微孔压缩，但其闭合程度取决于轧制载荷和变形量，只有较高的载荷和较大的变形才会导致更多的微孔闭合。

　　经过42％的热变形和T6热处理，与沉积态合金相比，材料的性能得到了极大的改善。这主要是由于引入了位错密度，从而为T1相和大量纳米级T1相引入了成核位点。此外，在42％的热变形后，合金基体的整体孔隙率从1.02％降低至0.01％，并且微孔的最大直径从100µm减小到30µm，表明微孔已得到有效修复。因此，在42％的热变形和T6热处理后，机械性能的改善是由于微结构的优化和微孔的修复。