西工大「高强韧铝合金增材制造」为梦天舱、长五B研制提供了重要技术

10月31日，长征五号B运载火箭托举中国空间站梦天实验舱精确进入预定轨道。在发射成功之际，3D打印技术参考注意到西工大发布了一则消息，并有如下描述：

3D打印技术参考查找了大量文献，发现林鑫教授课题组在2019年发表了多篇关于2219铝合金电弧增材制造的研究文章。虽不能确认该型铝合金就是西工大所描述的为梦天舱和长五B文所用，但笔者却发现该材料在航天领域有极重要的价值。

高强度铝合金由于低密度、优异的机械性能、良好的成形性和断裂韧性，在航空和航天工业中具有广泛的应用和不可替代的地位。据估算，火箭用的铝合金约占金属结构总净质量的95%，而此前发射的问天实验舱中的金属材料，75%以上的材料质量为铝合金。

2219铝合金除具有铝合金的通用优点外，还具备比其他材料更优异的低温性能，它的各项性能均随温度的下降而同步上升，但同时它还具有优异的高温性能，能够在-250至300℃范围内工作。这些特殊的物理性能使其成为一种经久不衰的制造火箭与航天器部件的重要材料，被广泛用于制造低温罐、机身或航天飞行器外壳等飞行器结构，我国长征五号所使用的贮箱材料就是2219铝合金。此外，3D打印技术参考还查询到，2021年，航天科技集团一院211厂研制的国内首个2219铝合金3.35米直径共底贮箱成功下架。因此，该型铝合金是火箭液氢与液氧贮罐的重要制造材料。

鉴于航空航天工业的快速发展，对铝合金的制造提出了新的要求，如设计灵活性、复杂的几何形状、大型部件、高效率和低成本等。制造铝合金部件的传统工艺不能满足这些新需求，增材制造作为一种有前途的制造技术，由于其在自由形式设计、降低材料成本和高效率制造等方面的优势，在世界范围内受到了广泛关注。 

电弧增材制造（WAAM）由于高沉积效率、高材料利用率和低设备成本的优点，在工业和学术界引起了极大的兴趣。目前，WAAM已成功用于制造Ti6Al4V、钢、In718等材料。特别的，WAAM工艺可以处理对激光高度反射的金属，如铝合金和铜合金。此外，电弧增材制造工艺能满足大尺寸铝合金部件的生产需求。如今，航空航天工业对应用WAAM技术制造高强度铝合金结构的要求越来越高。

使用电弧增材制造零件（来自voestalpine）

到目前为止，许多不同系列铝合金的电弧增材制造试验已经成功进行，例如Al-Cu（2xxx系列）、Al-Mg（5xxx系列）、Al-Si（4xxx系列）和Al-Zn（7xxx系列）。然而，由于湍流熔池和焊接缺陷，使用WAAM制造Al-Mg-Si(6xxx)和Al-Zn(7xxx)合金一直具有挑战性。对于实际工业应用，WAAM沉积的Al-Mg(5xxx)合金的强度相对较低，尽管采用了许多创新方法来改善WAAM获得的Al-Mg(5xxx)合金的性能，但这些合金由于强度低而难以满足航空航天工业的需求。

WAAM流程示意图以及测试样品的位置和尺寸（来自林鑫教授团队相关论文）

电弧增材制造的铝合金零件（来自10.1016/j.jmrt.2021.04.076）

林鑫教授团队当时的论文指出，关于WAAM加工铝合金的强化规律和显微组织演变的研究很少发表。为提高合金性能，应充分了解强化相的析出规律和组织演化特征。此外，宏观形貌、晶粒结构、显微组织不均匀性和孔隙率也是WAAM工艺凝固过程阶段需要优化的重要因素。其团队研究了电弧增材制造2219铝合金微观结构的形成和演变机制，这对实现更高和各向同性的机械性能至关重要。

2219铝合金是一种重要的时效硬化铝铜合金，但在此前，只有少数关于WAAM制造Al-Cu合金的研究。林鑫教授团队研究的2219铝合金主要成分包括Cu、Mn、Ti、Zr，向Al中加Cu的主要目的是提高强度，由于2219铝合金是一种典型的析出强化材料，低温强度的增加是靠热处理；而高温强度的增加则是通过Cu与Mn、Ti、Zr等形成的化合物，这些化合物都有细化晶粒、组织和改善合金性能的作用。

END

除采用电弧增材制造高强韧铝合金外，林鑫教授团队还对粉末床激光熔融制造高强韧铝合金发表过重要论文。通过Zr/Sc/Hf改性Al-Mn-Mg合金的试样经时效热处理后，合金的屈服强度提高到了487±2 MPa, 抗拉强度提高到了542±3 MPa，断后伸长为7.4±0.7%，综合力学性能优于大多数L-PBF加工的Al-Si(Mg)合金、2xxx、7xxx及Al-Mg-Sc-Zr系列铝合金和一些锻造2024铝合金，并可与高强度锻造7075铝合金相媲美。

低成本、高效率及自动化高强铝合金工艺技术的发展得到航空航天的重视，大型铝合金3D打印技术已经成为目前航空航天关注的重点。3D打印技术作为我国的一个前瞻战略性技术，对工程应用领域的发展有至关重要的作用。