盧秉恒院士團隊突破鋁鋰合金增材制造難題，助力航天結構邁向更高性能
輕質高強鋁合金，尤其是2195 Al-Cu-Li合金，因其優異的比強度、耐腐蝕性和低溫性能，已成為航空航天領域的關鍵材料，尤其是在運載火箭燃料箱的制造中被大量采用。然而，傳統的鑄鍛及焊接制造工藝，面臨著諸如設計受限、工序復雜、制造周期長等重大挑戰，難以適配未來航天結構對復雜性和集成化的要求。金屬增材制造 (AM) 技術為克服這些局限性提供了一種有前景的解決方案，能夠高效制造具有增強材料性能的復雜幾何形狀，包括鋁合金、鈦合金、鋼和高溫合金等。
各種增材制造技術，包括攪拌摩擦增材(FSAM)、激光粉末床熔融 (PBF-LB)、激光定向能量沉積 (DED-LB)和電弧定向能量沉積 (DED-Arc)，都已應用于Al-Li合金。然而，每種方法都面臨著其特有的挑戰。例如，攪拌摩擦增材可以實現細晶粒結構，但存在穩定性問題，并且難以制造復雜的幾何形狀；激光粉末床熔融和激光定向能量沉積具有很高的幾何靈活性，但由于紅外激光反射率高、元素燒損嚴重以及快速凝固引起的缺陷，它們的應用也受到了巨大挑戰。在大規模快速制造方面顯示出良好前景的電弧定向能量沉積工藝，也仍然面臨元素燒損（尤其是Li元素）、孔隙缺陷等挑戰。鋰元素極易在高溫熔池中燒損，導致合金性能下降。因此，研究如何精準控制沉積過程中的熱力學行為，抑制元素燒損，成為突破Al-Li合金增材制造應用瓶頸的關鍵。
為應對上述挑戰，西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室盧秉恒院士團隊，提出并驗證了一套專門針對基于鎢極惰性氣體保護的定向能量沉積（GTA-DED）工藝的數值仿真–機器學習–實驗分析相結合的研究方案。研究建立起雙面高斯熱源動力學模型，實現對熔池溫度場及凝固過程的高精度仿真。研究結合高斯過程回歸（GPR），系統量化了關鍵工藝參數對AA2195 Al-Li合金沉積質量和元素燒損行為的影響，確定出“最低Li損耗率僅為1.6%”的優化參數窗口，并精準指導結構成形控制。通過對孔隙成核和微觀組織演變的深入研究，論文進一步揭示了強度和延展性之間的相互作用機理。研究成果為Al-Li合金GTA-DED增材制造的大規模工程應用提供了重要的理論參考和實證數據支持。相關成果發表于增材制造領域頂刊Additive Manufacturing。
二、研究方法
1原材料及力學性能表征
研究使用了符合航空航天規范標準的AA2195 Al-Li合金焊絲（∅1.2 mm），公稱成分為Li (1.25%)、Cu (4.22%)、Mg (0.51%)、Mn (0.02%)、Ag (0.06%)、Zr (0.01%)、余量為Al。力學性能和微結構表征采用OM、EBSD、SEM、TEM及XRD技術，孔隙檢測利用工業CT，成分檢驗借助ICP及EDS，確保對增材結構和后續熱處理態微結構及力學性能的全鏈條研究。
2熱力耦合建模及參數優化
建立雙面高斯熱源仿真模型，更精準表征電弧在薄壁結構沉積過程中的溫度場特征，避免單面模型對側壁熔池動力學的偏離。結合高斯過程回歸(GPR)建立參數--性能響應面，通過81組參數組合確定工藝窗口，優化Li燒損和壁厚精度之間的平衡。
3增材制造及后續熱處理
研究采用GTA-DED制造單壁結構，確定最佳參數窗口后，開展后續標準T8熱處理（固溶520℃/1.5h、3%預拉伸、人工時效160℃/30h）。對比研究沉積態和熱處理態微觀結構和力學性能之間的差異。
三、研究結果
1數值仿真及動力學窗口確定
研究發現，最佳參數組合為：
電弧電流：120 A
沉積速度：0.15 m/min
該參數組合使熔池尺寸和沉積精度達到最佳平衡，Li元素燒損控制至1.6%，遠低于現有文獻參考水平，極大改善元素保留和成形結構質量。
2微觀結構及相態研究
沉積態結構為典型柱狀晶，顯示<001>和<101>方向擇優取向。
在標準T8熱處理后，原先大尺寸Cu/Mg富集相溶解，并轉變為密集分布的T1相（尺寸≤200nm），屈服強度從169.9 MPa大幅提升至554.5 MPa，抗拉強度達到529–566 MPa。
3孔隙及收縮缺陷研究
研究發現孔隙源于氫氣溶解及凝固收縮動力學，表現為球形氣孔和不規則收縮缺陷。
完成參數優化后，孔隙和收縮缺陷總體積略有增加（8.3‰），但對拉伸強度影響已被結構設計和相態優化有效控制。
檢測顯示，孔隙主導拉伸斷裂行為，孔洞和收縮缺陷在柱狀晶邊界處加速裂紋萌生和擴展。
四、討論
研究發現，經過動力學和參數窗口優化后，GTA-DED增材制造的Al-Li合金已達到極佳的結構控制和性能匹配。但孔隙及收縮缺陷對拉伸延展性的影響，依舊是后續研究重點。提出四項后續研究方向：
1. 結合先進保護氣氛控制，抑制氫氣進入和氧化膜形成。
2. 優化熔池動力學，提升凝固補縮能力。
3. 增強跨層塑性變形及先進后處理技術，消除孔洞、細化結構。
4. 以控制動力學參數和相態設計為突破口，進行跨尺度控制設計，平衡強度和延展性之間的固有矛盾，實現“雙高”目標。
五、結論
研究提出的“雙面高斯熱源–機器學習輔助參數優化”方案，成功解決了Al-Li合金增材制造過程中的元素燒損和結構控制難題，在抑制元素燒損、優化沉積窗口及強化力學性能等多個層面取得突破，為后續航天及先進結構應用提供了理論和實用參考。本研究取得以下成果：
1. 找到了使壁厚達到8mm、Li元素燒損控制在1.6%的最佳參數窗口，即電弧電流120 A，沉積速度0.15 m/min，建立起高效、可控的電弧增材制造參考體系。
2. 經后續T8熱處理后，屈服強度提升至554.5 MPa，抗拉強度達到529–566 MPa，顯示出該工藝實現高強度的極大潛力。
3. 揭示微觀結構和力學性能之間的關聯，確定孔隙和收縮缺陷對力學性能及延展性的限制性影響，提出跨尺度控制方向。
4. 對未來研究方向提出建議，強調跨尺度控制及先進后處理對進一步突破Al-Li合金增材制造性能極限的意義。
論文鏈接：
[1] https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104870
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