电弧熔丝增材制造技术（Wire +Arc Additive Manufacturing， WAAM）具有成形尺寸大、沉积效率高、原料 利用率高等优点，将该工艺应用于铝合金构件的制造可 节约材料、提高效率，具有良好的前景，目前国内外研究 人员就铝合金 WAAM的研究已取得一定进展。祁泽武等 用 VP–GTAW 制造 Al–Cu–Mg 薄壁试样，结 果表明，不同 Cu、Mg 元素含量试样的组织及性能存在 差异。黄丹等 以 5A06 铝合金焊丝为成形材料进行TIG 电弧增材制造试验，结果表明成形件抗拉强度可达295MPa，可达退火态 5A06 铝合金的 85%，各向同性。Radovan 等 使用 VP–GTAW电弧对 4043 及 5356 铝 合金的成形及组织进行研究，试验表明不同工艺参数 对成形及力学性能有很大影响。Al–Mg–Si 系合金材 料具有高强韧性、适宜的成形性及较为理想的耐蚀性， 主要应用于航天、交通、通信等领域 ，但目前尚无与 该系合金对应的商业化铝合金焊丝可供使用。本文以 ER4043（Al–5Si）及 ER5087（Al–5Mg）作为填充金属，VP–GTAW 电弧为热源制备 Al–Mg–Si 薄壁构件，通过 控制两焊丝送丝速度，探究不同 Mg、Si 元素含量及固溶 + 人工时效热处理对构件力学性能和组织的影响，研 究结果可为 Al–Mg–Si 系铝合金专用丝材的研发及进 一步开展铝合金 HPVP–GTAW 电弧熔丝增材制造提供 参考依据。
基板选用尺寸为 330mm×150mm×12mm 的 6061–T6 铝 合 金 平 板，丝 材 选 用 直 径 为 1.2mm 的 ER4043 和 ER5087 铝合金焊丝，铝合金基板及两焊 丝合金元素含量如表 1 所示。试验前使用碱性溶液 清洗铝合金基板去除表面油污，随后采用机械打磨方 法去除表面氧化膜，最后用丙酮擦拭干净。图 1 为搭 建的 HPVP–GTAW（HybridPulsed VP–GTAW）电弧 熔丝双丝增材试验系统，主要由复合超高频 脉冲方波 VP–GTAW 电源、TIG 焊枪（WP–27）、双丝 送丝系统、保护气系统、运动平台及工装等部分组成。
本文试验采用单道多层堆积成形的方式制备铝合金 薄壁构件。试验电流参数为变极性频率100Hz，正极性脉冲电流 100A，负极性脉冲电流120A，正极性持续时 间比 80%，其他工艺过程参数为：直径 3.2mm W– 0.2%Ce 电极，电弧长度保持约 5mm ；保护气体 Ar （99.99%）流量为 15L/min ；制备试样长 280mm，高05mm。图 2 所示为 D–WAAM工艺制备的 Al–Mg– Si 合金薄壁构件，构件成形稳定，层间连接良好，侧表 面光滑无杂质。
Al–Mg–Si 合金中强化相为 Mg2Si，其 Mg、Si 元素 质量比为1.73，在该比值下可得到最大数量的强化相。试验制备 3 组增材构件，Mg、Si 比分别为 1.3、1.7、2.1 （下文以 A、B、C 分别代表3 组构件），所用工艺参数详 见表 2。薄壁构件中 Mg、Si 元素的理论质量分数可由 下式计算求得：E=WFSiDi2ρiEi/（WFS1D12ρ1+WFS2D22ρ2） （1） 其中，E 为所求元素在薄壁构件中的质量分数；WFSi 为 焊丝的送丝速度（Wire Feed Speed），m/min；ρi 为焊丝 的密度，g/cm3；Di 为焊丝的直径，mm；Ei 为所求元素在 焊丝中的质量分数，%。
Al–Mg–Si 合金凝固过程中，首先发生 Al–Mg2Si 伪 二元共晶反应 [7–9]，共晶温度区间为 583.5~594℃ ；当 Mg、Si 元素质量比小于 1.73 时，温度缓慢降至 555℃ 时会继续发生 Al–Mg2Si–Si三元共晶反应。采用固溶 + 人工时效对构件进行热处理，参考 6XXX系典型铝 合金 6061 及 6063 的热处理规范及 Al–Mg–Si 合金凝 固路径 [10–12]，设计用于电弧增材构件的热处理参数。A组构件固溶温度为 535℃，B、C 两组构件固溶温度为 565℃，固溶时间均为2h，人工时效温度均为 170℃，时 效时间均为 6h，详见表 3。
如图 3（a）所示，利用线切割机取样，每组参数下 的薄壁构件分别在水平和垂直方向的不同位置各取 3个拉伸试样，构件中间部位用于微观组织观测及硬度 测试；在 SANS（50kN）电子拉伸试验机上进行室温 拉伸性能测试，试样具体尺寸参数见图 3（b），载速率 为 2mm/min。在成形件横截面中间部位，沿堆积方向 使用 FM–800 显微硬度计测定显微硬度（HV），加载力 1.96N，保持时间 10s，采集 30 个点的硬度值，点间距为 0.5mm。依据国家标准制备金相试样，使用 Keller 试剂 （HNO3 2.5mL；HF 1mL；HCL 1.5mL；H2O 92mL）侵蚀 试样，并在 OLYMPUS BX51M 光学显微镜下观察显微 组织。使用 CamScan–3400 扫描电子显微镜观察拉伸 试样断口形貌，观测微观区域元素分布，使用 D/MAX 2200PC X 射线衍射分析仪进行物相分析，确定成形构 件的主要物相组成。
2.1 显微组织
图 4 所示为 A、B、C 3 组薄壁构件原始沉积态典型 金相组织，铝合金构件内部组织呈现层状分布特征，分 为层中区域及层间重熔区域，在制造过程中两者经历的 热过程不同，组织呈现不同特点，试样组织主要由柱状 树枝晶及少量等轴树枝晶组成。
由图 5 对比人工时效 前后的金相组织可知，热处理后晶界处析出了更多弥散 分布的 Mg2Si 相及 Si 颗粒，组织中未出现明显的气孔 缺陷。利用 SEM 及 XRD 对原始沉积态试样进行测试（见 图 6、图7），结果表明 A、B、C 3 组试样的 SEM 图像及 第 2 相分布基本一致，仅在第 2 相的数量上存在细微差 异，X 射线衍射图谱基本相同，故仅就 B 试样的测试结 果进行分析。观察背散射电子图像及 EDS 面扫图像， 可知含 Si 的白色第 2 相主要分布在晶界，少量颗粒存 在于基体内，点扫描标定可知（表 4），第 2 相 Mg/Si 比 低于 1.73，推断认为第 2 相由 Mg2Si 和 Si 组成；就主 要合金元素分布而言，基体中 Al 元素含量较多呈现高 亮状态，相反 Mg、Si 则在晶界处偏聚。试样 X 射线 衍射图谱中 3 个较强的峰与 α–Al 相符合，几个较弱的 峰则与强化相 Mg2Si 相一致，α–Al 在合金中作为基体 元素含量高，故而衍射峰强度较大，而强化相含量仅为4% 左右，衍射峰强度较弱。
