5xxx鋁合金由于其良好的焊接性和耐腐蝕性等多種優點，在不同的工業領域得到了廣泛應用。然而，與2xxx和7xxx對應的合金相比，它們的強度較低，限制了其在高負荷條件下的應用。

3D科學谷白皮書

     為了改善增材制造的Al5183鋁合金的力學性能，西安交大方學偉副教授及其團隊在增材制造頂刊Additive Manufacturing期刊上發表題目為Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy (鈦纖維增強鋁基復合材料增材制造工藝研究)的科研文章。

 主要研究成果

該研究團隊首次利用基于金屬線的定向能量沉積弧制造（DED-arc）采用雙線供給系統制造了鈦纖維增強鋁（TFRA）組件。通過精確控制鈦合金線的供給路徑和電弧熱輸入，保持了鈦纖維的固態狀態。鈦合金線與鋁合金基體之間的界面厚度約為3-10微米，具有漸變的化學成分過渡，沒有明顯的裂紋傾向。

結果顯示，與沒有增強纖維成分的鋁組件相比，添加10.5%體積分數的鈦纖維之后，鈦纖維增強鋁組件的屈服強度和抗拉強度分別提高了124%和33%。同時，其沖擊能量從原始值的7.9 J增加到18.0 J，增加了128%。通過混合法理論對增強的強度進行了分析，并通過有限元模擬進行了驗證，發現鈦纖維增強鋁組件沖擊性能的提高是因為鋁基體中的裂紋傳播被鈦纖維阻擋。因此，這項工作為通過DED-arc增材制造具有連續纖維的高強度鋁合金提供了一種有前景的途徑。

圖1(a) 電弧雙絲纖維增強添加工藝原理的示意圖; (b) 電弧雙絲纖維增強添加裝置的實物圖; (c) 焊槍振動模式的示意圖; (d) TFRA組件中Al5183和Ti64纖維的X射線測試結果。

圖2 TFRA取樣的示意圖。(a) TFRA沉積體; (b) 沖擊樣本; (c) 金相樣本; (d) 拉伸樣本; (e) 密度測試樣本。

圖3 有限元模型和邊界條件。

圖4 金相結構的機制圖解。(a) 宏觀形態; (b) 纖維增強鈦合金線材和鋁合金基板的封閉形態; (c) 線材中晶粒微觀結構的差異示意圖。

圖5 線材上、中、下位置界面的SEM和EDS圖。(a)、(d) 和 (g) 分別為線材上、右、下側與鋁合金基板的界面，沒有任何裂紋或未熔化的缺陷。圖5(b)、(e) 和 (h) 分別是上、中、下區域的局部放大細節；圖5(c)、(f) 和 (i) 是各區域元素組成的線掃描。

圖6 原始Ti64、制造中的Al5183鋁合金和TFRA的IPF圖像；(a) 原始Ti64線；(b) Al5183鋁合金沉積；(c) TFRA沉積的上部分（區域I + 部分區域II）；(d) TFRA沉積的下部分（區域II）；(e) TFRA沉積上部分區域I的部分界面區域；(f) TFRA下部分區域II的部分界面區域。

圖7 鋁合金上部和下部的極坐標圖（a）鋁合金上部，（b）鋁合金下部。

圖8 Ti64合金的極坐標圖。(a) 原始線材；(b) 鈦合金線的區域I；(c) 鈦合金線的區域II。

圖9 (a) Ti64、Al5183沉積和線材添加TFRA的拉伸（應力-應變）曲線；(b) 5系列鋁合金弧焊或線材添加材料的拉伸性能。

圖10 (a) Al5183和TFRA的擺錘沖擊結果圖；(b) TFRA在沖擊過程中的示意圖。

圖11 (a) TFRA拉伸樣品的斷口形貌；(b) 鋁合金基體的斷口形貌；(c) 鈦合金線材料的邊緣過渡區域；(d) 鈦合金線材纖維區-輻射區的形貌；(e) 鈦合金線材的纖維區形貌；(f) 鈦合金線材的輻射區形貌。

圖12 TFRA樣品沖擊試驗結果的形貌。(a) 沖擊樣品的斷口形貌；(b) 斷裂的線材的斷口形貌；(c) 相應的組分掃描分布；(d) Ti分布；(e) Al分布；(f) V分布；(g) Mg分布。

圖13 由拉伸試驗獲得的工程應力-應變曲線。

 關鍵結論

在這項研究中，采用基于CMT的DED-arc成功制備了墻形組件的鈦合金纖維增強鋁合金（TFRA），并且這些組件的強度和沖擊韌性得到了顯著提高。根據這項研究的結果，可以得出以下結論：

1) 利用基于CMT的DED-arc和雙線送絲系統成功制造了穩定而均勻的鈦纖維增強鋁合金組件。在沉積過程中，通過精確控制鈦合金線的供給路徑和電弧熱輸入，保持了鈦合金線的固態狀態。

2) 鈦合金線與鋁合金基體之間的界面厚度約為3-10微米，具有漸變的化學成分過渡，沒有明顯的裂紋傾向。通過振蕩模式，避免了在CMT-based DED-arc過程中形成厚的脆性金屬間相。

3) 與未增強的DED-arc鋁組件相比，添加10.5%體積分數的鈦纖維，TFRA組件的屈服強度、抗拉強度和比強度分別增加了124%、33%和25%。同時，延伸率保持在20%的數值，與鋁合金組件板的性能一致。通過混合法理論和有限元分析驗證，改善的材料性能主要歸因于引入的鈦增強纖維。

4) 與未增強組件相比，TFRA組件的沖擊能量大幅提高（128%）。這是因為鈦纖維阻擋了鋁基體的裂紋傳播，在沖擊過程中吸收了大量的沖擊能量。

來源 l WAAM電弧增材

(責任編輯：admin)

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