西南交大康国政力学顶刊IJP：低温至高温条件下增材制造铝合金的变形和损伤

　　高强度2000系铝合金凭借其优异的比强度、出色的耐腐蚀性、高导热性及良好的焊接性，在航空航天领域的应用日益广泛。其中，AA2219铝合金在宽温度范围（23 K至573 K）内展现出尤为优异的强塑平衡性能。这些特性使AA2219成为极端环境下安全关键部件的理想候选材料，例如运载火箭的低温液体推进剂贮箱与固体火箭助推器。

　　随着增材制造（AM）技术的快速发展，丝材电弧增材制造（WAAM）因具备制备大型构件的能力，且沉积速率高、生产成本相对较低，受到了广泛关注，但采用WAAM技术加工2219铝合金仍面临挑战——该合金在WAAM成形过程中易产生高孔隙率，且抗裂性较差。因此，以往的研究主要集中于优化工艺参数，以及阐明WAAM成形条件与电弧增材制造（WAAMed）2219铝合金室温力学性能之间的关系。

　　成果速览

　　本研究采用原位X射线显微断层扫描技术，系统探究了电弧增材制造（WAAM）2219铝合金在133 K至523 K温度范围内的变形行为与内部损伤演化规律，重点阐明了低温与高温对合金内部孔洞形核、长大及聚合过程的影响。

　　结果表明，该合金中的孔洞大多通过共晶θ相（Al₂Cu相）断裂形核：在高温环境下，孔洞形核与长大的阻力降低，促使大量损伤累积；而在低温环境下，形核阻力增大，导致孔洞密度较低，但一旦孔洞形核并发生局部连接，便会迅速聚合成微裂纹。因此，高温下的失效主要由孔洞长大主导，低温下的失效则以孔洞形核为主导。

　　基于已明确的、调控力学性能的关键微观结构特征，本研究构建了细观力学本构模型以描述该合金的变形行为。在该模型中，合金被视为由铝基体、制造缺陷及共晶θ相组成的非均质复合材料；采用Mori-Tanaka均匀化方法预测随温度变化的应力-应变响应，并明确纳入了温度对损伤演化的影响。该模型成功复现了所研究温度范围内的应力-应变曲线，并反映出损伤演化对变形行为的作用。此外，沙普利加性解释（SHAP）分析表明，温度是影响力学性能的最关键因素，其影响程度超过了孔隙率与相体积分数。

　　该工作以「Unveiling deformation and damage evolution of WAAMed high-strength Al alloys across cryogenic to elevated temperatures」为题发表于International Journal of Plasticity。

　　工作亮点

　　首次系统阐明了WAAM成形2219合金从低温到高温环境下的内部损伤演化规律。

　　失效机制具有温度依赖性：高温下以孔洞长大为主导，低温条件下则以孔洞形核为主导。

　　基于关键微观结构特征，建立了细观力学本构模型，用于描述温度依赖性变形行为。

　　该模型成功复现了133 K至523 K温度范围内的应力-应变响应，并反映了损伤演化对变形行为的影响。

　　图文解析

图1.电弧增材制造（WAAMed）2219铝合金薄壁板示意图及其对应的微观结构特征。

图2.电弧增材制造（WAAMed）2219铝合金在77 K至523 K温度范围内的单调拉伸性能：（a）屈服强度、极限抗拉强度及断后伸长率随温度的变化；（b）应变硬化指数随温度的变化。

图3.用于低温与高温原位拉伸测试的环境舱示意图：（a）高温舱、（b）低温舱，以及用于低温与高温原位拉伸测试的试样几何形状。加载方向与成形方向平行。

图4.在不同加载阶段、不同温度[（a）523 K、（b）423 K、（c）293 K、（d）133 K]下变形的原位试样标距段三维同步辐射显微计算机断层扫描（3D SR-μCT）体积渲染图。等效直径超过7μm的孔洞用彩色渲染，铝合金基体用半透明灰色渲染。为最大限度降低图像噪声的影响，定量分析中仅考虑体积大于27个体素（Withers等，2021）[约1000μm³，对应等效球形直径约7μm]的孔洞。孔洞采用蓝到红的颜色编码，以表示长径比（AR）的增大。此处，长径比定义为：沿加载方向、端点与孔洞接触的最长线段，与垂直于加载轴的线段的比值。加载方向与成形方向平行。真应变定义为εₜ=ln（Lᵢ/L₀），其中Lᵢ为某一加载阶段下基准标记点之间的距离，L₀为基准标记点之间的初始距离。本研究中，预先存在的气孔为应变追踪提供了天然基准标记点。在每个试样的均匀标距段内，分别选取一个靠近上段和一个靠近下段的气孔作为基准标记点。通过Avizo软件中的测量模块，测量这两个气孔沿拉伸轴方向的距离；通过追踪不同加载阶段下该距离的变化，即可确定应变大小。

图5.与共晶θ相（Al₂Cu相）相关的孔洞形核，以及不同温度下铝基体与共晶相的纳米硬度分布。（a）沿原位试样断裂面附近加载方向截取的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像，重点展示孔洞形核机制。（a）中图像从左至右依次对应523 K、293 K和133 K温度条件。（b）铝基体与共晶相的纳米硬度分布，从左至右依次对应523 K、293 K和133 K温度条件。

　　图6.不同温度下、变形各阶段孔洞形核率的演变对比。

　　总结展望

　　本研究通过拉伸应变过程中开展的原位X射线断层扫描与准原位SEM观测相结合的方法，阐明了电弧增材制造（WAAM）2219铝合金在宽温度范围（133–523 K）内的损伤演化机制。此外，研究还建立了一种纳入Mori-Tanaka均匀化方法的细观力学本构模型，用于预测该合金随温度变化的应力-应变行为。该模型考虑了已明确的、调控力学性能的关键微观结构特征，以及温度对损伤演化的影响。得出的结论如下：

　　（1）孔洞形核阻力随温度降低而增大。在低温下，这种增强的形核阻力导致孔洞密度相对较低，且孔洞主要通过θ相（Al₂Cu相）共晶断裂形核。一旦数量有限的孔洞形核并发生局部连接，便会迅速聚合成微裂纹，进而引发脆性扩展。因此，低温下的失效主要由孔洞形核主导。相反，在高温下，孔洞形核与长大阻力均降低，促使通过θ相（Al₂Cu相）共晶断裂形成大量孔洞，随后这些孔洞发生广泛长大与聚合。由此，高温下的失效主要由孔洞长大控制。

　　（2）制造缺陷与共晶θ相是调控WAAM成形2219铝合金损伤演化的关键因素。本研究将该合金视为由铝基体、共晶相和气孔组成的非均质复合材料。通过基于量纲分析的反演方法处理纳米压痕载荷-位移曲线，确定了不同温度下铝基体的应力-应变响应，并利用纳入压痕尺寸效应的经验模型进一步优化了这些响应。此外，研究还建立了唯象弹塑性本构模型来描述铝基体的应力-应变行为。结果表明，该本构模型能有效复现133 K至523 K温度范围内铝基体随温度变化的变形行为。

　　（3）研究首先确定了铝基体、共晶相和气孔的本构方程，随后采用Mori-Tanaka均匀化方法预测了该非均质材料的整体应力-应变响应。考虑到温度会影响孔隙率与孔洞尺寸随应变的演化规律，研究将温度的影响明确纳入细观力学本构模型中。最终建立的模型成功捕捉了该合金随温度变化的变形行为。此外，沙普利加性解释（SHAP）分析表明，温度是调控WAAM成形2219铝合金力学性能的最关键因素；相比之下，孔隙率与相体积分数对强度的影响显著更小，且二者影响程度相当。温度升高、孔隙率增大及相体积分数增加，均会导致该合金力学强度下降。