南昌大学-MSEA-通过滚压和热处理提升电阻缝焊增材制造2219铝合金的性能：微观结构演变与强化机制

导读

　　近日，南昌大学王文琴团队在Materials Science and Engineering:A上发表题为Enhancing the properties of 2219 aluminum alloy deposited by resistance seam additive manufacturing through rolling and heat treatment的文章。文章针对高强度铝合金的增材制造，提出了电阻缝焊增材+滚压处理+T6热处理的复合工艺。

　　原文链接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.148253

摘要

　　电阻缝焊增材制造是一种通过压力和电阻热逐层堆焊金属粉末实现增材过程的新型技术。本文运用此技术制备了2219铝合金块体，并对其进行了滚压处理和T6热处理。结果表明，滚压处理减少了孔隙缺陷，提高了样品的位错密度，增加了基体中Cu元素的含量；T6热处理使α+θ共晶溶于基体，并重新析出θ相和θ'相。特别是经过滚压+T6复合工艺的调控，样品中析出了均匀分布的纳米级针状θ'相。细小致密的θ'相既能有效钉扎位错，又能协同基体变形，在其沉淀强化作用下材料获得了优异的力学性能，极限抗拉强度和延伸率达到506.6MPa、16.1%。

研究背景

　　铝合金因其低密度、高强度、耐腐蚀和抗氧化等特点，而被大规模应用于航空航天领域[1]。2219铝铜合金是铝合金的典型代表，它比强度优异、焊接性能好、延展性高，因此常用于制造油箱、连接环等飞行器结构部件[2]。然而对于复杂的结构零部件，采用传统的铸造、锻压、车削等技术进行制造，会存在工艺繁琐、周期长、材料利用率低等问题[3]。增材制造是一种效率高、材料利用率高、成本低的制造技术[4]。金属增材制造技术根据所使用的热源不同，主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术等[5-7]。目前，使用金属增材制造技术已经成功制造了各种铝合金，如Al 2024[8],Al 7075[9]和Al-5.5Cu[10]等。

　　但是使用增材技术制造的沉积态铝合金通常强度较低，无法满足工业应用的需求[11]。层间变形被认为是辅助增材制造，减少气孔缺陷，提升材料力学性能的有效方法[12]。Gu[13]等在增材制造2219铝合金的过程中分别用15kN、30kN、45kN的载荷对样品进行层间冷加工，结果显示随着载荷的增加合金的硬度和抗拉强度不断提高。Wei[14]等报道了层间搅拌摩擦加工辅助电弧增材可以破碎和溶解共晶组织，显著减少气孔缺陷。Fang[15]等则研究了层间锤击对增材制造2319铝合金的影响，他们发现层间锤击可以细化晶粒，产生高密度位错。

　　然而层间冷加工、层间搅拌摩擦加工、层间锤击等外场辅助方法的引入不但增加了增材工艺的复杂性，而且由于这些方法主要靠形变提高合金的强度[16]，所以强化作用有限。电阻缝焊增材制造是一种通过压力和电阻热逐层堆焊金属粉末完成增材过程的新型连接技术[17]。该技术通过自身电极轮重复滚压就能产生层间变形效果，简化了制造工艺。并且重复滚压时，流经电极轮的脉冲电流还可以促进合金析出相的溶解[18]，提升了强化效果。Wang[19]等使用电阻缝焊增材制造技术成功制备了Al 1060块体，通过重复滚压将材料的孔隙率从0.998%降至0.017%。

　　热处理是另一种强化沉积态铝合金的常见方法。Zhou[20]等对2219铝合金进行T6热处理后发现，沉淀强化的效果受基体中Cu含量的影响，在固溶温度为540℃时基体中Cu元素含量最高。Wang[21]等报道了T6热处理对丝弧增材Al-Cu合金的影响，他们发现T6热处理后晶粒中的针状θ'相在沉淀强化过程中起重要作用。

　　为了进一步发掘电阻缝焊增材技术的应用价值，本文运用该技术制备了2219铝合金块体，系统地研究了重复滚压和T6热处理对增材样品微观组织及力学性能的影响，揭示了滚压+T6复合工艺的强化机制。

主要实验数据

图1 样品制备流程

图2 样品的反极图、晶界分布图和粒径分布图：(a-c) 滚压顶部; (d-f) 滚压底部;(g-i)滚压+T6顶部; (j-l) 滚压+T6底部样品.

图3 样品的晶粒取向拓展：(a) 滚压顶部; (b) 滚压底部;(c) 滚压晶粒取向拓展直方图; (d) 滚压+T6顶部; (e) 滚压+T6底部; (f) 滚压+T6晶粒取向拓展直方图.

图4 样品的SEM和EDS结果：(a) 未处理; (b) T6; (C) 滚压; (d) 滚压+T6; (e) 滚压EDS; (f) 滚压+T6 EDS

图5 未处理和滚压样品的TEM：(a) 未处理样品明场图像；(b-d) 滚压样品明场图像；(e-g) 滚压样品HRTEM；(h-j) 衍射斑点.

图6 滚压+T6样品的TEM：(a、b、f) 明场图像; (c-e) HRTEM; (g、h) 衍射斑点.

图7 样品沿垂直方向硬度分布.

图8 样品的拉伸性能：(a) 应力-应变曲线；(b) 拉伸性能直方图；(c) 不同方法制造2219铝合金拉伸性能对比.

图9 样品的断口形貌：(a) 未处理; (b) T6; (C) 滚压; (d) 滚压+T6.

实验结论

　　本文采用电阻缝焊增材技术制备了2219铝合金块体，研究了滚压处理和T6热处理对试样组织形貌和力学性能的影响。主要研究结论如下：

　　(1)未处理样品由于强烈的溶质偏析作用使得晶粒呈枝晶状。滚压样品顶部枝晶在热力耦合作用下发生动态再结晶后变为平均尺寸3.26μm的细晶，底部枝晶由于热积累转变为平均尺寸13.72μm的等轴晶。

　　(2)滚压样品顶部区域存在黄铜织构Brass{011}<211>，底部区域存在铜形织构Copper{112}<111>，两区域织构类型的差异是变形程度不同所导致。滚压+T6复合处理后，再结晶作用推动顶部和底部区域的轧制织构向Goss{011}<100>转变。

　　(3)滚压处理后样品位错密度提高，基体中Cu元素含量增大。在此基础上进行T6热处理，样品中超过90%的晶粒变为再结晶晶粒，并且析出了高密度的针状θ'相。这表明滚压处理有效提升了T6热处理的强化效果。

　　(4)滚压+T6复合处理后，样品的力学性能得到大幅提升，其YS、UTS、EL分别达到了334.6MPa、506.6MPa、16.1%。均匀分布的纳米级θ'相产生的沉淀强化作用是材料性能提高的关键因素。