Effect of micro rolling on laser-induced arc additive manufacturing of 2319 aluminum alloy
本研究表明，将微辊制与激光诱导电弧增材制造（LIAAM）相结合，能够显著细化2319铝合金的显微组织，从而与传统LIAAM相比，降低了各向异性并提升了硬度和抗拉强度。
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在追求制造更轻、更强机器的过程中，工程师们经常转向铝材。这是一种重量仅约为铁的三分之一，却拥有航空航天和国防领域所需强度及抗锈能力的金属。然而，将这种金属转化为复杂的定制形状零件却非常困难。传统的铸造或机械加工方法往往会造成浪费，或者在制造特定形状方面存在局限性。一种被称为增材制造的新方法，通过像3D打印一样逐层构建物体，但其规模要大得多。虽然这项技术展现出巨大的潜力，但它面临着一个重大障碍：用于熔化金属丝的剧烈热量会导致材料冷却不均。这种冷却不均往往会导致产生巨大的、脆弱的晶体结构以及微小的内部孔洞，从而使最终部件在压力下容易发生开裂或断裂。对于用于关键应用的一种特定铝合金（即2319系列），这些缺陷尤为棘手，限制了该金属在现实世界环境中的表现。
为了解决这个问题，大连理工大学和华侨大学的研究人员开发了一种结合了两种不同工艺的新方法：混合热源与机械挤压。他们使用了一种称为激光诱导电弧增材制造的技术，通过结合电弧和低功率激光来熔化铝丝。这种混合方法有助于比单纯使用电弧创造出更稳定的熔池。但真正的创新在于每一层沉积后立即发生的过程。研究人员并没有让热金属自然冷却，而是趁每一层还温热时，用一个重型滚轮压过新鲜的层。这个被称为“微轧制”的过程压平了表面并对金属施加了压力。研究人员想要观察这种简单的轧制行为是否能够修复由热量引起的内部缺陷，并提高最终铝制件的强度。
团队利用2319铝合金丝构建了测试块，制作了带有和不带轧制步骤的样本。随后，他们仔细检查了这些金属块，以观察内部发生了什么。在没有轧制的情况下，金属冷却成一种由向上生长的长柱状晶体主导的结构，类似于冰晶在冷冻室中形成的形态。这些长晶体连同由铜和铝混合形成的脆性网状图案，构成了材料的薄弱点。未经过轧制的样本表面也不平整，留有焊接电弧造成的凹坑和波纹。当研究人员实施轧制工艺时，结果发生了戏剧性的变化。来自滚轮的压力压平了表面，消除了波纹，并为下一层创造了一个平滑、水平的基础。更重要的是，机械压力破碎了长柱状晶体和脆性网状图案。取而代之的是，金属形成了细小、均匀且圆形的晶粒，并均匀地散布在整个材料中。
这种金属内部结构的转变对其强度产生了直接且可衡量的影响。研究人员发现，轧制后的样本比未轧制的样本明显更硬、更强。平均而言，轧制金属的硬度增加了4.6%，其抗拉强度（即抵抗被拉开的能力）提高了9.13%。金属也变得更加一致；各处强度之间的差异减少了，这意味着零件在压力下表现得更加可预测。轧制过程还有助于消除在熔化过程中经常被困在金属内部的微小气孔。在未轧制的样本中，这些孔洞较大且倾向于聚集在一起，充当了可能导致裂纹产生的薄弱点。在轧制的样本中，这些孔洞变得更小且分布均匀，使得裂纹极难形成和扩展。
这种改进的原因在于金属对压力和热量的反应方式。当滚轮压向温热的金属时，它迫使原子重新排列，并将晶体破碎成更小的碎片。这个过程产生了高密度的内部缺陷——位错，它们充当了运动的障碍，使金属更难发生变形。当下一层熔融金属被添加在上方时，新层释放的热量起到了类似温和退火处理的作用，使金属能够在不损失压力优势的情况下，稳定进入新的、更细小的结构。合金中的铜和锰元素在轧制过程中也得到了更均匀的分布。这种均匀分布防止了可能削弱部件的巨大、脆性团簇的形成。研究人员观察到，金属晶体生长的方向性变得不再那么显著，从而降低了材料在某一方向强而另一方向弱的倾向。
最终，这项研究表明，在制造过程中加入简单的轧制步骤，可以将标准的铝制零件转变为高性能组件。通过优化内部晶粒结构并消除缺陷，研究人员证明了克服这种特定合金传统增材制造局限性的可能性。研究结果表明，这种结合的方法为制造大型、复杂铝制零件提供了一条切实可行的路径，这些零件不仅重量轻，而且强度足以应对最苛刻的应用需求。这项工作证实，控制金属在冷却时的物理状态与使用热量来熔化它同样重要，这为工程师制造更好的机器提供了新的工具。
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