电弧定向能量沉积结合旋转摩擦加工制备Al-Zn-Mg-Cu合金的微观结构与力学性能协同调控

本研究针对电弧定向能量沉积(WA-DED)制备Al-Zn-Mg-Cu合金存在的柱状晶粗大、力学性能不足等问题，创新性地引入层间旋转摩擦加工(RFP)技术，通过剪切变形与摩擦热的协同作用，实现了柱状晶破碎(晶粒尺寸降低至104μm)、脆性S相(Al2CuMg)溶解及η′强化相析出，使抗拉强度与屈服强度分别提升33.3%和15.1%，同时保持9.1%的延伸率，为航空航天高性能铝合金构件制造提供了新思路。

　　

在航空航天领域，Al-Zn-Mg-Cu合金因其优异的强度重量比被称为"飞行金属"，但传统铸造锻造工艺面临效率低、成本高的瓶颈。电弧定向能量沉积(WA-DED)技术虽能实现复杂构件快速成型，却不可避免地产生粗大柱状晶和沿晶界分布的脆性Mg(Al,Zn,Cu)₂共晶相，导致力学性能各向异性——水平方向抗拉强度甚至比垂直方向低37%。以往通过添加纳米TiC/TiN颗粒的改良方法，不仅存在颗粒分布不均的问题，各向异性改善幅度也仅能从23.4%降至9.9%。

华中科技大学的研究团队独辟蹊径，将旋转摩擦加工(RFP)技术引入WA-DED过程，开发出"增材沉积+层间塑性扰动"的混合制造新策略。这项发表在《Materials Science and Engineering: A》的研究揭示，旋转摩擦头在沉积层间产生的400°C摩擦热与高斯分布的塑性应变场(最大等效应变达5.8)，能像"微观搅拌器"般打碎柱状晶，形成台风眼状的细晶-粗晶交替结构。

研究采用WA-DED-RFP混合制造系统，包含库卡机械臂搭载的CMT电源和高频电主轴摩擦工具。通过EBSD分析晶粒取向，TEM观察η′相演变，结合有限元模拟塑性应变场，系统阐明了多尺度强化机制。

微结构演变：RFP使原始柱状晶发生"晶粒碎化-动态再结晶"的链式反应，形成平均尺寸23μm的等轴晶。TEM显示沿晶界分布的Al₂CuMg相溶解，转而析出高密度η′强化相(尺寸<50nm)，这种相变被作者称为"脆性铠甲到纳米卫士"的转变。

力学行为：独特的异质结构使材料呈现"协同变形"特性——粗晶区储存位错，细晶区协调塑性，最终抗拉强度达517MPa，延伸率9.1%，远超单一WA-DED试样(388MPa/6.2%)。断口分析显示韧窝尺寸分布双峰特征，印证了异质结构的协同作用。

塑性变形模拟：有限元分析揭示摩擦工具边缘的应变梯度效应，中心区等效塑性应变达5.8，向外呈高斯分布。这种应变场与材料流动的螺旋特征，解释了台风眼状微观结构的形成机制。

该研究突破了传统WA-DED铝合金强度-塑性倒置的困境，提出的"热-力耦合调控"理论为大型航天构件整体成型提供了新范式。特别值得注意的是，相比需要三重锻打的传统工艺，RFP单次处理即可实现99%致密度，在保证性能的同时将生产效率提升300%。正如评审专家所言，这项技术"像在微观世界演奏了一曲热力学交响乐"，为航空航天轻量化制造开辟了新航道。