高镁含量铝合金连接中的孔隙演化机制、影响因素及超声调控研究

作者及发表信息

本研究的通讯作者为Zhiguo Wang（中国科学院沈阳自动化研究所）和Desheng Li（大连工业大学光子学研究所），其他作者包括Ning Cui、Tianqi Zhao、Yuhui Zhao、Yaojie Chao、Hai Lin和Jibin Zhao。研究发表于Journal of Materials Processing Tech.，2025年336卷，论文编号118706。

学术背景

高镁（Mg）铝合金因其高比强度、优异的焊接性和耐腐蚀性，广泛应用于航空航天、汽车和船舶领域。然而，在连接过程中，镁的低熔点特性易导致蒸发，不仅降低镁的利用率，还会诱发孔隙缺陷，进而影响材料的显微硬度、拉伸强度和疲劳性能。传统制造工艺效率低且浪费材料，而激光金属沉积焊接（Laser Metal Deposition Welding, LMDW）因其高精度、高材料利用率和小热影响区（HAZ）成为研究热点。

本研究以高镁含量的Al-Mg-Sc-Zr合金为对象，通过孔隙微观形貌、元素分布和有限元分析（Finite Element Analysis, FEA），探究低熔点元素（如Mg）诱发的孔隙形成、生长和溢出机制，并引入超声振动调控孔隙缺陷。

研究流程

1. 实验设计与材料准备

• 材料：基板和粉末的Mg含量分别为6.80 wt%和8.91 wt%（见表1）。基板尺寸为60 mm × 35 mm × 3 mm，边缘钝化0.5 mm。
  
• 预处理：基板经超声波清洗，粉末和基板在200°C真空干燥5小时。
  
• 焊接系统：采用KUKA机械臂增材制造系统，激光光斑直径3.2 mm，送粉速率1.6 g/min，保护气体为氩气（氧浓度<50 ppm）。
  

2. 焊接参数优化

研究设计了8组工艺参数（表2），涵盖功率（2500 W和3000 W）和扫描速度（2–8 mm/s）。通过单道三层焊接策略（单层SP、双层DP、三层TP），分析孔隙分布与工艺参数的关系。

3. 孔隙形成机制分析

• 孔隙类型：氢致孔隙（Hydrogen-induced pores）、塌陷孔隙（Collapse pores）、保护气致孔隙（Shielding gas-induced pores）和元素烧蚀孔隙（Elemental ablation pores）。
  
• Mg的作用：Mg与水分反应生成MgO和氢气（式16），或直接蒸发形成气孔。通过扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）验证孔隙内MgO和Al₂O₃的存在（图6）。
  

4. 有限元模拟

建立三维VOF（Volume of Fluid）模型，模拟熔池中Mg分布和流场行为（图7）。模型假设熔池为层流，忽略粉末屏蔽效应，引入Mg烧蚀修正因子。模拟结果显示：
- Mg分布：纵向从底层到顶层Mg损失增加，横向从基板到熔池中心递减。
- 流场特性：熔池边缘流速最高（0.298 m/s），阻碍孔隙溢出（图7d）。

5. 超声调控实验

采用三种超声振动参数（U1–U3，电流0.8–1.6 A，频率19.66 kHz）。结果表明：
- 最优参数U3：熔池中心孔隙率降低20%，熔合线附近孔隙率减少22%，抗拉强度提升41.9%（图8）。
- 机理：超声空化效应（Acoustic cavitation）破坏孔隙，声流效应（Acoustic streaming）促进孔隙溢出，同时细化晶粒（图9）。

主要结果

1. 工艺参数影响：2500 W和4 mm/s时孔隙率最低（3.3%），小尺度孔隙（0.1–10 μm）占比最高（图2）。
   
2. 孔隙分布规律：孔隙富集于熔合线和层间熔合线，多层焊接时孔隙尺寸随层数增加而减小（图5）。
   
3. 超声效果：U3参数下Mg损失减少9%，晶粒由柱状转为等轴或胞状，提升力学性能（图9d）。
   

结论与价值

1. 科学价值：揭示了Mg诱发的孔隙化学-物理耦合机制，丰富了低熔点元素孔隙理论。
   
2. 应用价值：通过工艺优化和超声调控，显著降低孔隙率，为高镁铝合金的增材制造提供了可行方案。
   
3. 创新点：
   
   • 首次系统分析Mg烧蚀孔隙的成核、生长和迁移路径。
     
   • 开发了超声辅助LMDW工艺，实现孔隙和晶粒同步调控。
     

研究亮点

1. 多尺度分析：结合实验（SEM/EDS）、模拟（VOF）和超声调控，形成完整研究链条。
   
2. 工艺创新：优化参数（2500 W/4 mm/s）和超声参数（U3）具有工程推广潜力。
   
3. 理论贡献：提出熔池流场阻碍孔隙溢出的新观点，为后续研究提供方向。
   

其他价值

研究建议未来结合热等静压（HIP）进一步消除微小孔隙，提升材料致密性。