卢秉恒院士团队突破铝锂合金增材制造难题，助力航天结构迈向更高性能

来源：增材工业

轻质高强铝合金，尤其是2195 Al-Cu-Li合金，因其优异的比强度、耐腐蚀性和低温性能，已成为航空航天领域的关键材料，尤其是在运载火箭燃料箱的制造中被大量采用。然而，传统的铸锻及焊接制造工艺，面临着诸如设计受限、工序复杂、制造周期长等重大挑战，难以适配未来航天结构对复杂性和集成化的要求。金属增材制造 (AM) 技术为克服这些局限性提供了一种有前景的解决方案，能够高效制造具有增强材料性能的复杂几何形状，包括铝合金、钛合金、钢和高温合金等。

各种增材制造技术，包括搅拌摩擦增材(FSAM)、激光粉末床熔融 (PBF-LB)、激光定向能量沉积 (DED-LB)和电弧定向能量沉积 (DED-Arc)，都已应用于Al-Li合金。然而，每种方法都面临着其特有的挑战。例如，搅拌摩擦增材可以实现细晶粒结构，但存在稳定性问题，并且难以制造复杂的几何形状；激光粉末床熔融和激光定向能量沉积具有很高的几何灵活性，但由于红外激光反射率高、元素烧损严重以及快速凝固引起的缺陷，它们的应用也受到了巨大挑战。在大规模快速制造方面显示出良好前景的电弧定向能量沉积工艺，也仍然面临元素烧损（尤其是Li元素）、孔隙缺陷等挑战。锂元素极易在高温熔池中烧损，导致合金性能下降。因此，研究如何精准控制沉积过程中的热力学行为，抑制元素烧损，成为突破Al-Li合金增材制造应用瓶颈的关键。

为应对上述挑战，西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室卢秉恒院士团队，提出并验证了一套专门针对基于钨极惰性气体保护的定向能量沉积（GTA-DED）工艺的数值仿真–机器学习–实验分析相结合的研究方案。研究建立起双面高斯热源动力学模型，实现对熔池温度场及凝固过程的高精度仿真。研究结合高斯过程回归（GPR），系统量化了关键工艺参数对AA2195 Al-Li合金沉积质量和元素烧损行为的影响，确定出“最低Li损耗率仅为1.6%”的优化参数窗口，并精准指导结构成形控制。通过对孔隙成核和微观组织演变的深入研究，论文进一步揭示了强度和延展性之间的相互作用机理。研究成果为Al-Li合金GTA-DED增材制造的大规模工程应用提供了重要的理论参考和实证数据支持。相关成果发表于增材制造领域顶刊Additive Manufacturing。

二、研究方法
1原材料及力学性能表征
研究使用了符合航空航天规范标准的AA2195 Al-Li合金焊丝（∅1.2 mm），公称成分为Li (1.25%)、Cu (4.22%)、Mg (0.51%)、Mn (0.02%)、Ag (0.06%)、Zr (0.01%)、余量为Al。力学性能和微结构表征采用OM、EBSD、SEM、TEM及XRD技术，孔隙检测利用工业CT，成分检验借助ICP及EDS，确保对增材结构和后续热处理态微结构及力学性能的全链条研究。

AA2195合金的热物理性能：(a)密度，(b)热导率，(c)比热容。

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（a）GTA-DED 设备实物，（b）详细设置，（c）沉积的 AA2195 薄壁和表征样品，以及（d）拉伸试样尺寸。

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2热力耦合建模及参数优化
建立双面高斯热源仿真模型，更精准表征电弧在薄壁结构沉积过程中的温度场特征，避免单面模型对侧壁熔池动力学的偏离。结合高斯过程回归(GPR)建立参数--性能响应面，通过81组参数组合确定工艺窗口，优化Li烧损和壁厚精度之间的平衡。

(a)热FEA计算域网格划分结果，(b) 局部网格细化，(c) 表面热量分布示意图，(d) 改进的双面高斯热源示意图，(e) 用于温度场验证的四个K型热电偶位置。

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3增材制造及后续热处理
研究采用GTA-DED制造单壁结构，确定最佳参数窗口后，开展后续标准T8热处理（固溶520℃/1.5h、3%预拉伸、人工时效160℃/30h）。对比研究沉积态和热处理态微观结构和力学性能之间的差异。

（a）AD样品的DSC曲线，(b) T8热处理示意图。

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三、研究结果
1数值仿真及动力学窗口确定

研究发现，最佳参数组合为：
电弧电流：120 A
沉积速度：0.15 m/min

该参数组合使熔池尺寸和沉积精度达到最佳平衡，Li元素烧损控制至1.6%，远低于现有文献参考水平，极大改善元素保留和成形结构质量。

(a) Ω和Tmin与行进速度和电流的叠加云图，(b) 关键参数区域放大图，(c) 三个代表性案例的GPR拟合Ω与实验Li_LossRate比较，(d) 三个案例的横截面形貌。

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2微观结构及相态研究
沉积态结构为典型柱状晶，显示<001>和<101>方向择优取向。

沿构建方向的GTA-DED AA2195合金IPF图：(a) AD，(b) T8试样。

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在标准T8热处理后，原先大尺寸Cu/Mg富集相溶解，并转变为密集分布的T1相（尺寸≤200nm），屈服强度从169.9 MPa大幅提升至554.5 MPa，抗拉强度达到529–566 MPa。

GTA-DED AA2195的XRD分析（AD vs. T8）：(a)全图，(b)放大2θ范围(41.0°-43.0°)突出T1相演变。

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3孔隙及收缩缺陷研究

研究发现孔隙源于氢气溶解及凝固收缩动力学，表现为球形气孔和不规则收缩缺陷。

完成参数优化后，孔隙和收缩缺陷总体积略有增加（8.3‰），但对拉伸强度影响已被结构设计和相态优化有效控制。

检测显示，孔隙主导拉伸断裂行为，孔洞和收缩缺陷在柱状晶边界处加速裂纹萌生和扩展。

GTA-DED AA2195缺陷分析：(a,c) AD和(b,d) T8试样体积缺陷渲染图及等效直径/球形度分布。

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四、讨论
研究发现，经过动力学和参数窗口优化后，GTA-DED增材制造的Al-Li合金已达到极佳的结构控制和性能匹配。但孔隙及收缩缺陷对拉伸延展性的影响，依旧是后续研究重点。提出四项后续研究方向：

1. 结合先进保护气氛控制，抑制氢气进入和氧化膜形成。

2. 优化熔池动力学，提升凝固补缩能力。

3. 增强跨层塑性变形及先进后处理技术，消除孔洞、细化结构。

4. 以控制动力学参数和相态设计为突破口，进行跨尺度控制设计，平衡强度和延展性之间的固有矛盾，实现“双高”目标。

GTA-DED工艺中AA2195合金的电弧动力学和熔池演化CCD捕获图像。

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五、结论
研究提出的“双面高斯热源–机器学习辅助参数优化”方案，成功解决了Al-Li合金增材制造过程中的元素烧损和结构控制难题，在抑制元素烧损、优化沉积窗口及强化力学性能等多个层面取得突破，为后续航天及先进结构应用提供了理论和实用参考。本研究取得以下成果：

1. 找到了使壁厚达到8mm、Li元素烧损控制在1.6%的最佳参数窗口，即电弧电流120 A，沉积速度0.15 m/min，建立起高效、可控的电弧增材制造参考体系。

2. 经后续T8热处理后，屈服强度提升至554.5 MPa，抗拉强度达到529–566 MPa，显示出该工艺实现高强度的极大潜力。

3. 揭示微观结构和力学性能之间的关联，确定孔隙和收缩缺陷对力学性能及延展性的限制性影响，提出跨尺度控制方向。

4. 对未来研究方向提出建议，强调跨尺度控制及先进后处理对进一步突破Al-Li合金增材制造性能极限的意义。

论文链接：
[1] https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104870