《Journal of Materials Research and Technology》：Synergistic Effects of TiN Precipitation and Mg-Treated Oxide Metallurgy on CGHAZ Toughness in High-Heat-Input Welding
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本研究針對電弧增材制造（WAAM）鋁構件普遍存在的氣孔缺陷與柱狀晶粗大問題，創新性地引入了超聲輔助技術（UA-WAAM）。研究表明，超聲激勵能通過促進熔池中氣泡逸出并細化晶粒，顯著降低氣孔率、打破柱狀晶連續生長，使沖擊韌性提升高達76%，垂直和水平方向的伸長率及抗拉強度也得到全面改善，為高性能大型鋁合金構件的增材制造提供了有效技術途徑。
鋁合金因其重量輕、耐腐蝕和優良的可焊性，在造船、航空航天等領域備受青睞。然而，傳統鑄造和鍛造方法難以高效、低成本地制造大型復雜構件。電弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing， WAAM）作為一種新型增材制造技術，能夠通過逐層堆焊直接成形大尺寸金屬部件，具有沉積效率高、材料利用率好、成本低等突出優勢，為制造大型鋁合金結構件帶來了曙光。盡管前景廣闊，這項技術在實際應用中卻面臨兩大“頑疾”：一是成形過程中熔池凝固時容易產生氫氣孔，這些微小的空洞會成為材料的“薄弱點”，顯著降低部件的疲勞和拉伸強度；二是在劇烈的溫度梯度下，金屬傾向于沿熱流方向連續生長出粗大的柱狀晶，這種組織會導致材料的力學性能呈現各向異性，且韌性往往不佳。這些缺陷嚴重制約了WAAM技術的進一步推廣和產業化應用。
為了攻克這些難題，并提升WAAM鋁合金構件的綜合性能，由宋欣、金鋒、張欣、張康、韓軻、莊冬東、雷玉成組成的研究團隊，以造船工業中廣泛應用的AA5183（或稱ER5183）鋁合金為研究對象，在常規WAAM工藝的基礎上，創造性地引入了超聲輔助技術，開發了超聲輔助電弧增材制造（Ultrasonic-assisted WAAM， UA-WAAM）新工藝。他們系統比較了常規WAAM與UA-WAAM樣品在氣孔、微觀組織和力學性能等方面的差異，深入探究了超聲振動對材料成形質量的作用機制。這項研究為解決WAAM鋁合金的共性缺陷提供了新思路，相關成果發表在材料領域知名期刊《Journal of Materials Research and Technology》上。
為了開展此項研究，研究人員主要運用了以下幾項關鍵技術方法：首先，搭建了集成超聲振動單元的實驗系統，通過電路耦合將高頻超聲脈沖信號疊加到焊接電流上，直接將超聲能量引入WAAM過程。其次，使用光學體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對制備的試樣進行氣孔分布統計和斷口形貌分析。再者，借助電子背散射衍射（EBSD）技術對樣品的晶粒取向、晶界分布和局部取向差（通過計算Kernel Average Misorientation， KAM來評估位錯密度和殘余應力）進行了精細表征。最后，通過室溫下的夏比（Charpy）沖擊試驗和拉伸試驗，定量評估了材料的沖擊韌性和拉伸性能。
研究結果揭示了超聲振動對WAAM 5183鋁合金多方面的積極影響。
3.1. 超聲頻率對氣孔的影響
研究系統考察了不同超聲參數（電壓50V，頻率從30kHz到90kHz）對氣孔的影響。通過截面氣孔分布對比發現，與未加超聲的常規WAAM相比，施加超聲后樣品的氣孔數量和尺寸均顯著減少。在50V， 70kHz參數下達到最優效果，氣孔密度最低。但當頻率增至90kHz時，由于熔池內流體流動過于湍急，反而不利于氣泡逃逸，氣孔率有所回升。
3.2. 超聲頻率對顯微組織的影響
顯微組織分析表明，常規WAAM樣品每層熔合區內主要為連續生長的柱狀晶，層間區域則出現等軸晶帶，形成沿堆積方向周期交替的柱狀晶與等軸晶區域。EBSD的逆極圖分析顯示，在最佳超聲參數（50V， 50kHz）下，原本連續的柱狀晶被顯著打碎，形成了細小的等軸晶，實現了有效的晶粒細化。隨著超聲強度增加（至70kHz），晶粒進一步細化且更趨等軸化。
3.3. 超聲頻率對力學性能的影響
力學性能測試結果令人鼓舞。拉伸性能方面，超聲輔助顯著改善了材料的延展性。在水平方向上，UA-WAAM樣品的極限抗拉強度（Ultimate Tensile Strength， UTS）和伸長率（Elongation， EL）最高可提升約12%和21%；在垂直方向上，提升幅度更為顯著，分別可達12%和49%。沖擊性能的改善尤為突出。夏比沖擊試驗表明，超聲激勵大幅提高了材料的沖擊韌性。隨著超聲頻率增加（固定50V電壓），沖擊吸收能量持續上升，在50V， 70kHz條件下達到峰值，較常規WAAM樣品提升了約76%。
在討論部分，研究人員深入剖析了超聲產生積極作用的物理機制。空化效應和聲流效應是兩大關鍵。超聲在熔池中引發的空化氣泡劇烈潰滅，產生微射流和壓力脈沖，強烈攪動熔融金屬，一方面能將大氣泡破碎成小氣泡并使其分布更均勻，另一方面有助于在凝固前將氣泡排出熔池。聲流效應則提供了額外的驅動力來掃除氣泡。兩者的協同作用，是UA-WAAM樣品氣孔率顯著降低的主要原因。
斷口形貌分析支持了上述結論。SEM觀察顯示，常規WAAM沖擊斷口上散布著較多氣孔，且韌窩（微孔聚集形成的形貌）尺寸較大、不規則。而UA-WAAM樣品的斷口氣孔少且小，韌窩更細小、致密，這表明其斷裂時吸收了更多能量，與其優異的沖擊韌性相符。
EBSD的KAM分析進一步揭示了組織內部的殘余應變和位錯密度變化。常規WAAM樣品KAM值較高，表明位錯密度和殘余應力較大。而UA-WAAM樣品，特別是在50V， 70kHz條件下，KAM值最低，表明超聲振動有效緩解了沉積層內的殘余應力，降低了位錯密度。雖然理論上更高的位錯密度會帶來加工硬化，但本研究中，氣孔率的顯著降低和組織的細化對力學性能（尤其是韌性）的正面貢獻遠大于位錯密度降低可能帶來的強度損失。
綜上所述，本研究得出了明確的結論：超聲輔助電弧增材制造（UA-WAAM）技術能有效細化5183鋁合金的晶粒組織，打破連續柱狀晶，并顯著降低殘余應力；該技術能大幅減少沉積過程中的氣孔缺陷；得益于組織優化和缺陷控制，UA-WAAM制備的鋁合金在拉伸性能和沖擊韌性上均獲得全面提升，其中沖擊韌性提升最高達76%。這項研究不僅闡明了超聲振動在金屬增材制造中的作用機理，更重要的是為制備高性能、低缺陷的WAAM鋁合金大型構件提供了一種行之有效的工藝方案，對于推動該技術在海洋工程、航空航天等高端裝備制造領域的應用具有重要的科學與工程意義。
