由铝铜合金制成的大型结构部件因其轻巧，抗氧化性和热稳定性而被用于汽车和飞机领域。开发具有高延展性和强度这样的组件允许其取代钛合金或不锈钢。在上述领域中使用的Al-Cu合金的大型结构零件通常是通过铸造和锻造生产的，导致制造周期长，价格高，材料利用效率低。此外，电弧焊工艺是完成大型结构零件组装的关键步骤，这可能导致热影响区软化并降低整个零件的使用性能。

为了克服WAAM沉积Al-Cu合金过程中晶界偏析和柱状晶粒缺陷的不利影响，在每次通过沉积之前进行了层间锤击和层间轧制。现有工艺消除了柱状晶粒和分散的Al 2的分散晶粒内的铜相可以提高沉积的铝铜合金样品的拉伸强度。但是，通过锤击或轧制产生的加工硬化导致材料可塑性降低，给部件的后处理带来很大困难。与层间锤击或轧制方法相比，在AM工艺中添加陶瓷颗粒作为异质形核位点以细化晶粒，对沉积铝合金的强度和延展性也有很大影响。

在这项研究中，哈尔滨工业大学孙清洁教授团队通过在WAAM工艺中添加TiC颗粒，消除了不均匀的微观结构特征和晶界偏析。分析了添加TiC时的微观组织演变以及强度和延展性的协同增强机理，揭示了添加TiC颗粒后液滴的凝固热力学和动力学。此外，揭示了通过添加TiC颗粒协同增强断裂强度和延展性的机理。相关研究成果以题“Realization of synergistic enhancement for fracture strength and ductility by adding TiC particles in wire and arc additive manufacturing 2219 aluminium alloy”发表在复材顶刊Composites Part B: Engineering上，

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836821003115#!

通过在WAAM工艺中添加TiC颗粒，消除了不均匀的微观结构特征和晶界偏析。分析了添加TiC时的微观组织演变以及强度和延展性的协同增强机理。可以得出以下结论：添加300–500 nm的TiC颗粒可以有效地降低基体的自由能，这为晶粒的原子核在TiC颗粒的基底上生长提供了机会。平均晶粒尺寸达到最小值35.1μm，并且消除了柱状缺陷。

图1。（a）WAAM设备和（b）微粒喷涂以及温度测量设备的示意图。

图2。在TiC颗粒的不同质量分数下WAAM沉积样品的光学显微镜图像（a）0.5 wt％，（b）1.0 wt％，（c）1.5 wt％，（d）2.0 wt％。

当ΔT纳秒（3.8℃）低于ΔT CS，添加的TiC颗粒的可用于抵消ΔT CS引起的溶质偏析，抑制柱状晶粒的生长。R（2.54×10 -5  m / s）和G 2（冷却速率，10°C / s）的较低值为次级枝晶的生长提供了机会，从而促进了枝晶向等轴转变。

多站点核具有较小ΔT纳秒可以在晶界处的溶质抑制Cu的偏析，使众多的Cu原子被分散在基质中和化合物α -Al + θ -Al 2铜沉淀为细点状相。

图3。IPF问题取向为铝基和Al映射2 Cu相，和取向差角度分布对于沉积的样品与来自横截面视图的TiC颗粒的不同质量分数中，（a） – （A2）0.5重量％的TiC，（B） – （b2）1.0重量％TiC，（c）–（c2）1.5重量％TiC，（d）–（d2）2.0重量％TiC。

图5。WAAM沉积样品的横截面微观结构图像，其中添加了1.5 wt％TiC颗粒，（a）层间区域，（b）内层区域，（a）–（b1）（a）中的细节， （b）（a2）–（b2）的元素线分布分别导致（a1）和（b1）中以白色描绘的区域，（c）–（e）相应的蓝色，红色的EDS结果，分别在（a1）和（b1）中带有黄色叉号。（要解释此图例中对颜色的引用，请参阅本文的Web版本。）

图6。（a）沉积有1.5 wt％TiC颗粒的样品的晶界处的TEM图像；（b）Al 2 Cu和Al基体之间的界面的HRTEM图像；以及逆FFT图像；（c）和（d ）分别表示Al基体和Al 2 Cu的电子衍射图，（e）Al 2 Cu的FFT图，（f）（a）中对应的红叉的EDX结果。

图7。（a）添加1.5 wt％TiC颗粒的沉积样品在沉淀相界处的TEM图像，（b）Al 7 Cu 2 Fe和Al基体之间的界面的HRTEM图像以及相应的逆FFT图像，（c ）和（d）分别是Al基体和Al 7 Cu 2 Fe的FFT图，（e）Al 7 Cu 2 Fe的电子衍射图，（f）（a）中对应的红叉的EDX结果。

延展性的增强是由于存在TiC颗粒而引起的晶界改性，以及细点状沉淀物促进了晶粒内位错的可塑性。在UTS和EL增量是〜分别114兆帕和~6.3％，相比于没有的TiC颗粒的WAAM沉积2219 Al-Cu合金。

图13。添加1.5 wt％TiC颗粒（a）内层区域，（b）层间区域后，沉积样品的微观结构演变。