西安交大：增强钛纤维能有效提升DED增材制造Al5183铝合金的力学性能！

| 3DScienceValley · 2023/12/17

谷专栏

5xxx铝合金由于其良好的焊接性和耐腐蚀性等多种优点，在不同的工业领域得到了广泛应用。然而，与2xxx和7xxx对应的合金相比，它们的强度较低，限制了其在高负荷条件下的应用。

3D科学谷白皮书

为了改善增材制造的Al5183铝合金的力学性能，西安交大方学伟副教授及其团队在增材制造顶刊Additive Manufacturing期刊上发表题目为Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy (钛纤维增强铝基复合材料增材制造工艺研究)的科研文章。

主要研究成果

该研究团队首次利用基于金属线的定向能量沉积弧制造（DED-arc）采用双线供给系统制造了钛纤维增强铝（TFRA）组件。通过精确控制钛合金线的供给路径和电弧热输入，保持了钛纤维的固态状态。钛合金线与铝合金基体之间的界面厚度约为3-10微米，具有渐变的化学成分过渡，没有明显的裂纹倾向。

结果显示，与没有增强纤维成分的铝组件相比，添加10.5%体积分数的钛纤维之后，钛纤维增强铝组件的屈服强度和抗拉强度分别提高了124%和33%。同时，其冲击能量从原始值的7.9 J增加到18.0 J，增加了128%。通过混合法理论对增强的强度进行了分析，并通过有限元模拟进行了验证，发现钛纤维增强铝组件冲击性能的提高是因为铝基体中的裂纹传播被钛纤维阻挡。因此，这项工作为通过DED-arc增材制造具有连续纤维的高强度铝合金提供了一种有前景的途径。

图1(a) 电弧双丝纤维增强添加工艺原理的示意图; (b) 电弧双丝纤维增强添加装置的实物图; (c) 焊枪振动模式的示意图; (d) TFRA组件中Al5183和Ti64纤维的X射线测试结果。

图2 TFRA取样的示意图。(a) TFRA沉积体; (b) 冲击样本; (c) 金相样本; (d) 拉伸样本; (e) 密度测试样本。

图3 有限元模型和边界条件。

图4 金相结构的机制图解。(a) 宏观形态; (b) 纤维增强钛合金线材和铝合金基板的封闭形态; (c) 线材中晶粒微观结构的差异示意图。

图5 线材上、中、下位置界面的SEM和EDS图。(a)、(d) 和 (g) 分别为线材上、右、下侧与铝合金基板的界面，没有任何裂纹或未熔化的缺陷。图5(b)、(e) 和 (h) 分别是上、中、下区域的局部放大细节；图5(c)、(f) 和 (i) 是各区域元素组成的线扫描。

图6 原始Ti64、制造中的Al5183铝合金和TFRA的IPF图像；(a) 原始Ti64线；(b) Al5183铝合金沉积；(c) TFRA沉积的上部分（区域I + 部分区域II）；(d) TFRA沉积的下部分（区域II）；(e) TFRA沉积上部分区域I的部分界面区域；(f) TFRA下部分区域II的部分界面区域。

图7 铝合金上部和下部的极坐标图（a）铝合金上部，（b）铝合金下部。

图8 Ti64合金的极坐标图。(a) 原始线材；(b) 钛合金线的区域I；(c) 钛合金线的区域II。

图9 (a) Ti64、Al5183沉积和线材添加TFRA的拉伸（应力-应变）曲线；(b) 5系列铝合金弧焊或线材添加材料的拉伸性能。

图10 (a) Al5183和TFRA的摆锤冲击结果图；(b) TFRA在冲击过程中的示意图。

图11 (a) TFRA拉伸样品的断口形貌；(b) 铝合金基体的断口形貌；(c) 钛合金线材料的边缘过渡区域；(d) 钛合金线材纤维区-辐射区的形貌；(e) 钛合金线材的纤维区形貌；(f) 钛合金线材的辐射区形貌。

图12 TFRA样品冲击试验结果的形貌。(a) 冲击样品的断口形貌；(b) 断裂的线材的断口形貌；(c) 相应的组分扫描分布；(d) Ti分布；(e) Al分布；(f) V分布；(g) Mg分布。

图13 由拉伸试验获得的工程应力-应变曲线。

关键结论

在这项研究中，采用基于CMT的DED-arc成功制备了墙形组件的钛合金纤维增强铝合金（TFRA），并且这些组件的强度和冲击韧性得到了显著提高。根据这项研究的结果，可以得出以下结论：

1) 利用基于CMT的DED-arc和双线送丝系统成功制造了稳定而均匀的钛纤维增强铝合金组件。在沉积过程中，通过精确控制钛合金线的供给路径和电弧热输入，保持了钛合金线的固态状态。

2) 钛合金线与铝合金基体之间的界面厚度约为3-10微米，具有渐变的化学成分过渡，没有明显的裂纹倾向。通过振荡模式，避免了在CMT-based DED-arc过程中形成厚的脆性金属间相。

3) 与未增强的DED-arc铝组件相比，添加10.5%体积分数的钛纤维，TFRA组件的屈服强度、抗拉强度和比强度分别增加了124%、33%和25%。同时，延伸率保持在20%的数值，与铝合金组件板的性能一致。通过混合法理论和有限元分析验证，改善的材料性能主要归因于引入的钛增强纤维。

4) 与未增强组件相比，TFRA组件的冲击能量大幅提高（128%）。这是因为钛纤维阻挡了铝基体的裂纹传播，在冲击过程中吸收了大量的冲击能量。

来源 l WAAM电弧增材

论文引用信息：

Yongliang Geng, Meng Zhao, XinZhi Li, Ke Huang, Xuan Peng, Binbin Zhang, Xuewei Fang, Yugang Duan, Bingheng Lu,Wire-based directed energy deposition of a novel high-performance titanium fiber-reinforced Al5183 Aluminum Alloy https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103445.