鋁合金電弧增材與激光沖擊強化復合制造組織與性能

王震林，戴為，齊雨航，張宏強，郭偉

（1.機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所，北京 100055；2.北京航空航天大學，北京 100191）

0 前言

電弧增材制造（WAAM）是鋁合金生產制造極為重要方法之一，解決其過程中產生的各種問題至關重要，關系著鋁合金材料生產制造的水平[1-2]。激光沖擊強化（LSP）技術對于金屬材料性能的強化可以有效應對電弧增材過程中產生的問題，是其發展進步過程中的重要拼圖，對于鋁合金電弧增材過程有重要參考價值。將電弧增材與激光沖擊強化技術相結合，有助于它們優勢互補[3-7]。

電弧增材技術針對鋁合金的加工制造有原材料利用率高、成形速度快、成本更低的優點，但在增材制造成形的過程中，也不可避免的存在一些缺陷。對于鋁合金加工過程中產生的殘余應力與氣孔等問題，已經出現了許多可以用于緩解的方式，曾元松等學者[8]使用高壓水噴丸強化7075-T6 鋁合金，結果發現：試件表面的應力狀態由拉應力轉變為了壓應力，并且隨著水流壓力和噴射時間增加，表面粗糙度隨之增加，說明水噴丸技術確實在一定程度上解決了鋁合金的殘余應力問題。Ganesh 等學者[9]對了激光沖擊強化和機械噴丸，發現：激光沖擊強化在表面殘余應力的提高等方面更具優勢。Gao 等學者[10]采用低塑性滾光處理，試件表層的殘余壓應力層厚度達到1.25 mm，雖然大幅提升了疲勞強度，但滾壓工藝強化難度大。胡神陽等學者[11]利用超聲強化技術強化6061 鋁合金試件，強化后材料表面形成顯著壓應力，材料表層硬度增加，晶粒細化，延長了材料疲勞壽命。

Qiao 等學者[12]通過激光沖擊強化TiAl 合金試驗，增加了材料的表面粗糙度和顯微硬度，提高了表面殘余壓應力。李松柏等學者[13]利用激光沖擊強化技術處理2524 鋁合金試樣，延長了2524 鋁合金疲勞裂紋拓展壽命，降低了2524 鋁合金的疲勞裂紋擴展速率。宋亞杰等學者[14]針對激光增材GH1131 合金薄壁件進行了激光沖擊強化處理，發現強化之后表面殘余拉應力變為殘余壓應力，表面顯微硬度增加，材料性能提升。孫汝劍等學者[15]利用激光沖擊強化與電弧增材制造復合技術，改善了增材構件的微觀組織及應力形態，電弧增材激光沖擊強化后，鋁合金的晶粒尺寸減小，顯微硬度增大，優化了殘余壓應力。

文中研究的鋁合金電弧增材與激光沖擊強化復合制造也利用了激光沖擊強化的優點，解決了電弧增材鋁合金過程中出現的缺陷，提高了材料性能，完善了技術發展。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

絲材為直徑為1.2 mm 的ER5087 鋁合金，焊接接頭最低抗拉強度為186 MPa?；宀牧蠟?A06 鋁合金，尺寸為150 mm × 200 mm × 20 mm。ER5087 焊絲與5A06 基板成分見表1。

表1 ER5087 焊絲與5A06 基板的化學成分（質量分數，%）

1.2 電弧增材制造

采用冷金屬過渡焊技術進行ER5087 焊絲的電弧增材制造，優選的參數有：焊接速度600 mm/min、送絲速度165 mm/min，堆積層數120 層，氣體流量25 L/min等。經過電弧增材制造過程，得到薄壁板材如圖1 所示。

圖1 電弧增材獲得的薄壁板材

1.3 熱處理工藝

為保證試驗的準確性，試驗進行2 次去應力退火。第一次退火是將鋁合金板材加熱至240 ℃保溫45 min之后自然冷卻。采用PROTO LXRD 高速測量X 射線衍射殘余應力分析儀在熱處理前后對電弧增材所得到的板材進行檢測。

熱處理試驗后，取電弧增材制造出的一塊板材，進行切割處理，所得鋁合金板的長寬高分別為15.71 cm，0.6l cm，17.21 cm。在此板的兩側隨機選取6 個點進行正反兩面的殘余應力測量，所得試驗數據見表2。由數據可以看出，合金板在經過去應力退火后，表面殘余壓應力轉化為殘余拉應力。第二次退火采用裝置為VBF-113 型真空釬焊爐進行，加熱至240 ℃，保持1 h，之后等待板材自然冷卻，其測量的殘余應力數值見表2。機加工后的增材鋁合金板在經過第二次退火后，表面殘余應力數值變小，基本被消除，可用于后續的激光沖擊強化樣品。

表2 電弧增材鋁合金板退火處理后殘余應力數據 MPa

1.4 激光沖擊強化

激光沖擊強化試驗系統由SGR-Extra 激光器及MC400 電機控制系統組成，電機控制系統定位所要進行沖擊的材料位置，激光器發射激光進行激光沖擊。激光光斑直徑為2 mm、頻率為5 Hz、波長為1 064 nm。以厚度為100 μm 的鋁箔作為激光沖擊試驗的吸收層粘貼在沖擊區域表面，以去離子水作為約束層，約束層厚度約為1～2 mm。光斑路徑如圖2 所示，沖擊方式為單面沖擊。

圖2 激光沖擊強化光斑路徑示意圖

研究脈沖能量的作用時，將試驗分為5 組，激光能量為2～10 J，選擇激光沖擊次數為1 次，激光搭接率為25%；研究激光沖擊次數的作用時，按照沖擊次數分為4 組，沖擊次數分別為1 次、2 次、3 次和4 次，選擇激光脈沖能量為6 J，激光搭接率為25%；研究激光搭接率作用時，選擇激光搭接率為50%，25%，10%，選擇激光脈沖能量為6 J，沖擊次數為1 次。使用線切割機將激光沖擊強化后的鋁合金板材按照分組切割，編號1～10，具體分組情況見表3。將上述材料進行鑲嵌制樣，通過光學顯微鏡觀察試樣表面顯微組織。

表3 激光沖擊試樣編號

1.5 微觀組織觀測

激光沖擊完畢后，電弧增材樣品進行機械拋光，利用Keller’s 腐蝕劑對金相樣進行腐蝕處理，并通過Axiocam 506 光學顯微鏡進行微觀組織觀察。測試增材試樣顯微硬度時，沿試樣堆積方向及深度方向每間隔0.1 mm 測試，加載力為1.96 N（200 g），加載時間為15 s；在測試激光沖擊完畢后的電弧增材樣品時，沿沖擊方向即深度方向每間隔0.17 mm 測試顯微硬度，并注意避開氣孔等缺陷位置點進行測量。

2 結果與討論

2.1 強化前增材鋁合金微觀組織

從弧增材制造出鋁合金板材左側上中下3 個位置取樣并編號為A 試樣、B 試樣、C 試樣。

A 試樣的微觀組織如圖3 所示。A 試樣的頂部區域晶粒尺寸較大，且多為等軸晶，頂部區域下面為柱狀晶，晶粒形態細長。柱狀晶區域位于熔合區附近，熔合區溫度梯度大，結晶速度慢，因此容易在細小晶粒外延生長出柱狀晶。晶粒的生長方向與溫度梯度方向有關，晶?？偸茄刂鴾囟忍荻茸畲蟮姆较蛏L，因此柱狀晶的生長方向是電弧增材的堆積方向。柱狀晶區域下面的是一系列細小的等軸晶組織，為鋁合金電弧增材的層間熔合區，位于兩片柱狀晶區域之間，是由于增材區域之間的溫度劇烈變化所形成。

圖3 A 試樣的微觀組織

B 試樣和C 試樣與A 試樣類似，二者的微觀結構是由細長的柱狀晶區域和位于柱狀晶區域之間的細小等軸晶區域組成。與A 試樣的不同之處在于B試樣和C 試樣頂部沒有較大的等軸晶區域。如圖4所示，黃色線條（虛線）之間為柱狀晶區，黃色線條則位于細小等軸晶區。這種夾心結構一方面反映了電弧增材的試驗過程，即自下而上，逐點堆積的過程；另一方面反應增材樣的晶粒并不均勻，熔合區的形狀并非一條直線，這一方面是由于增材過程中的熱分布不均勻，沉積層之間沉積效率差異較大，導致晶粒大小和分布雜亂，另一方面可能是熱處理過程對試樣造成某些影響，導致晶粒位置不均勻。

圖4 B 試樣與C 試樣的微觀組織

在氣孔的分布方面，以A 試樣為例，如圖5 所示，將經過陽極覆膜后的金相圖與未經過陽極覆膜的金相圖作對比，左面紅色線條之間是氣孔較多的區域，在右面陽極覆膜后的金相圖中則對應著熔合區，可以清晰看出，氣孔主要分布于試樣層間的熔合區，沿著細小等軸晶的方向分布。這說明熔合區內的材料缺陷較多，相比于其他位置強度較差，易產生疲勞裂紋等現象。

圖5 A 試樣氣孔對比圖

2.2 強化后增材鋁合金微觀組織

沖擊后鋁合金結構微觀組織分析如圖6 所示，上表面是激光沖擊區域，圖中黃線（虛線）以下能看到清晰的熔合區，該區微觀組織是由細長的柱狀晶區和位于柱狀晶區之間的細小等軸晶區組成。與之前增材樣的金相結構類似，這表明黃線以下受激光沖擊試驗影響較小，稱它為未受影響區，黃線以上區域為影響區。觀察圖6(a)～圖6(c)試樣的影響區可以看出，當激光能量較小時，影響區中熔合區比較清晰；隨著激光脈沖能量的增加，熔合區逐漸變得模糊，表明激光沖擊改變了受沖擊區域的組織結構，原有的夾心結構被破壞，取而代之的是雜亂分布的中等大小的等軸晶及細長的柱狀晶。隨著激光脈沖能量的增加，熔合區變得不明顯，這表明激光沖擊對改善鋁合金性能有一定的作用；同時激光脈沖能量的增加也使材料表面晶粒細化，對提高鋁合金強度、改善疲勞性能有正面的作用。3 號和7 號試樣與其他試樣金相組織類似，黃線以下存在清晰地熔合區，為未受影響區，黃線以上為影響區。沖擊次數少時，影響區中熔合區比較清晰，隨著激光沖擊次數的增加，熔合區逐漸變得模糊，激光沖擊改變了材料微觀結構，出現了中等大小的等軸晶，減小了熔合區，減少了氣孔，材料表面晶粒細化，這些現象表明激光沖擊改善了鋁合金材料的組織性能，提高了試樣的疲勞強度和壽命，且隨著沖擊次數的增加，性能提升更加明顯。同樣，搭接率的提升與沖擊次數的增加類似，在金相圖的表現上都出現了中等大小的等軸晶，減小了熔合區，減少了氣孔，材料表面晶粒細化，同樣體現出了激光沖擊強化對鋁合金性能的提高，且隨搭接率的增大，材料性能提升更加明顯，如圖6(b)和圖6(e)所示。

圖6 不同參數激光沖擊下樣品金相微觀組織

2.3 激光沖擊前后殘余應力變化

已有研究表明激光沖擊強化所產生的近表面殘余壓應力場對材料疲勞裂紋的萌發和擴展有明顯的阻礙作用[16]，因此獲得高幅值和均勻的殘余應力場對于提升增材試樣的疲勞性能有重要意義。激光沖擊試驗前，由于增材件經過去應力退火，表面殘余應力的數值接近于0 MPa，且應力分布較為均勻。將進行激光沖擊試驗后的電弧增材樣品進行殘余應力測試，每個試驗區域測試至少5 個點計算平均殘余應力值，所得測試結果如圖7 所示，分別記錄脈沖能量、沖擊次數和搭接率變化時的數據。

圖7 不同參數下對表面殘余應力的影響

激光沖擊強化后，所有試樣表面均產生了殘余壓應力。殘余壓應力幅值先隨脈沖能量增加至8 J 而快速增大到-121 MPa，進一步增加至10 J 后反而減小到-114 MPa，如圖7(a)所示。脈沖能量的增加會提高等離子爆炸沖擊波的峰值壓力，從而增加表面塑性變形，產生更高的殘余應力峰值，但是脈沖能量過高也更容易在材料表面產生“駐波效應”，嚴重影響沖擊波在材料深度方向的傳遞過程，從而減小殘余壓應力幅值。此外，由于高能量下材料表面會出現更不均勻的光斑凹坑，導致測得不同點殘余應力波動較大。沖擊2 次后表面殘余壓應力幅值相較于沖擊1 次有明顯的提升（約-122 MPa），但是進一步提高沖擊次數基本沒有明顯提升，如圖7(b)所示。經過2 次沖擊強化后材料表面塑性變形基本趨于飽和，因此殘余應力并不會再隨著沖擊次數的增加而增加。光斑搭接率對表面殘余應力主要有2 方面的影響：①在相同的脈沖能量下，更大的搭接率可以獲得更高的殘余壓應力幅值；②提高搭接率可以獲得更加均勻的殘余壓應力場，如圖7(c)所示。當搭接率為10%時，相鄰光斑中心的距離較大，導致表面塑性變形不均勻，產生更加獨立的沖擊凹坑，增加了表面粗糙度，導致殘余應力幅值較?。s為-83 MPa）且不均勻。提高搭接率至50%后，殘余應力幅值增大到-124 MPa，可以認為基本達到飽和，且不同點之間的數值波動較小，殘余應力場更加均勻。

2.4 沖擊后鋁合金顯微硬度變化

圖8 為不同參數下對顯微硬度的影響。低能量沖擊時，激光沖擊影響深度為1.5 mm，硬度最大值為96 HV；高能量沖擊時，激光沖擊影響深度大為2.3 mm，硬度最大值為110 HV，相比之下提高了14%，如圖8(a)所示。沖擊能量能夠提高強化影響深度，且對提高硬度有著很大貢獻。當沖擊能量達到8 J 之后，顯微硬度提升不大，材料基本達到強化上限，再提高激光能量對硬度提高的影響不大。沖擊1 次后，沖擊影響深度約1.8 mm；沖擊3 次后，其影響深度約2.7 mm，沖擊次數的增加顯著提高了影響深度，如圖8(b)所示。另外，沖擊次數從1 次到2 次，其硬度值增加較多，隨后增幅逐漸降低。沖擊次數的增加對硬度值的影響大于沖擊能量的增加對硬度值的影響。隨著搭接率的增加，硬度的最大值增加到115 HV，增加了20%，硬度值也越來越高。低搭接率（10%）時，沖擊影響深度約1.8 mm；高搭接率（50%）時，沖擊影響深度約2.7 mm，搭接率的增加同樣提高了激光沖擊強化的影響深度，如圖8(c)所示。搭接率從25%降低到10%時，材料硬度值的降低較小甚至沒有降低；而搭接率從25%提高到50%時，材料硬度值的提升十分顯著，對硬度值的影響很大，說明提升搭接率對提升硬度的效率較大。由圖8 可知，改變激光能量、沖擊次數和搭接率對鋁合金的影響深度相近，在一定程度上是互通的。對于材料硬度提升方面，搭接率影響最大，沖擊次數次之，激光能量的影響最低。

圖8 不同參數下對顯微硬度的影響

3 結論

（1）電弧增材鋁合金的微觀組織是由細長的柱狀晶區和位于柱狀晶區之間的細小等軸晶區組成，且等軸晶區所代表的熔合區氣孔分布較多。經過激光沖擊強化后的試樣受影響區中雜亂分布著的中等大小的等軸晶及較長的柱狀晶，減小了熔合區，減少了氣孔。

（2）激光沖擊強化可以大幅提高增材鋁合金表面殘余壓應力，不同參數條件下表面殘余壓應力最大可達-124 MPa。在2～8 J 范圍內提高脈沖能量可有效提高殘余壓應力幅值。強化次數超過2 次后，殘余壓應力幅值提升有限。提高搭接率可以獲得多次沖擊下幅值相當的殘余壓應力，并獲得更加均勻的殘余壓應力場。

（3）激光沖擊強化后，在不同參數條件下，靠近表面處材料的硬度值從78 HV 提高到95 HV 以上。沖擊能量的提高增加了激光沖擊強化的影響深度，但沖擊能量大于8 J 后，提升效果并不明顯。隨著沖擊次數的增加，硬度的最大值由103 HV 增加到129 HV，硬度增加了25%。高搭接率能提高了激光沖擊強化的影響深度。