在Arc-DED铝合金增材制造中，由于熔池冷却速度相对缓慢，氢元素溶解度差异会导致气孔在凝固过程中大量析出，这不仅削弱关键承载区域，还容易诱发塑性变形阶段的应变集中。此外，单一而均匀的等轴晶结构难以提供足够的加工硬化能力，导致材料在拉伸过程中发生早期失稳。因此，实现气孔抑制与组织调控的联动优化，是提升Al-Cu合金综合力学性能的核心科学问题。

近期，增材制造领域的国际期刊《Additive Manufacturing》在线发表了一篇题为“Synergistic enhancement of strength and ductility in Arc-DED Al-Cu alloys via in-situ liquid nitrogen cooling-induced grain structure heterogeneity and porosity suppression”的研究成果，在本论文中团队提出了一种Arc-DED沉积过程同步液氮冷却（LNC）的策略，用以解决铝铜合金增材制造中“强度难提升、延展性低、气孔易形成”的长期瓶颈问题。团队的研究表明，该策略可在不增加额外后处理步骤的前提下，实现沉积组织结构与孔隙状态的双重优化，使材料在T6热处理后同时获得482.1MPa的抗拉强度与10.9%的延展性，表现出显著的强-延协同效应。通讯作者为西北工业大学凝固技术全国重点实验室的鹿旭飞教授和林鑫教授。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121692

【核心内容】

在这项研究中，液氮同步冷却改变了熔池的凝固条件，使原本易被高温溶解的Al₃Ti形核粒子得以保留，从而在沉积层中形成由粗晶与细晶共存的异质晶粒结构。而在拉伸过程中，不同尺寸的晶粒由于其物性特征的不同，产生的应变也会有差距，这样的应变差会诱发额外的位错增殖，从而提升合金的应变硬化能力。同时，液氮冷却还改变了氢在凝固过程中的析出动力学，使氢更多以固溶形式保留，这样能够有效抑制气孔的形成和长大，减少初始裂纹源的形成概率，以此达到延缓裂纹萌生的效果。

图形摘要

CGC与LNC条件下晶粒结构形成机制示意图

【研究方法】

本研究中沉积所用的填充线材成分为Al-4.88Cu-0.4Mn-0.22Cd-0.16Ti-0.073Fe-0.04Si（wt.%），衬底为AA2024板材，沉积时所用工艺参数为：扫描速度8mm/s，送丝速度6m/min，层间停留时间1min，在整个过程中99.99%的高纯Ar作为保护气体，流量为18L/min。

团队在Arc-DED枪头后部引入可控液氮喷流，使熔池在沉积过程中实现更高的冷却速率与更低的峰值过热温度。由于冷场紧随熔池移动，因此材料在不同的凝固位置均减少了因热累积导致的组织粗化和元素偏析，结合后续统一的T6热处理，这一工艺方案可以在不改变冶金体系的前提下有效调控沉积凝固条件，对照组为没有使用液氮冷却的工艺路线，命名为CGC-T6。

Arc-DED+LNC设备示意&T6热处理流程

沉积过程中温度梯度与冷却速率变化对比

【研究成果】

① 液氮冷却有效抑制气孔形成并降低孔隙体积分数

同步冷却能够减少熔池内的过热时间，从而让氢元素以过饱和形式固溶于铝基体中，而不是以气泡形态析出，减少气孔的产生，也降低了气孔的数量与尺寸。LNC-T6样品的孔隙体积分数由0.54vol%降至0.21vol%，值得注意的是，孔隙形状特征未发生明显改变，这进一步说明了液氮冷却的作用主要体现在抑制气孔形成过程本身。

CGC-T6与LNC-T6气孔三维形貌与体积分数统计

② 构筑由粗细晶协同组成的异质晶粒结构，提升应变硬化能力

在液氮冷却条件下，熔池底部区域的峰值温度显著降低，加热-再熔融的持续时间缩短，因此原本在前层沉积时形成的Al₃Ti异质形核颗粒有更大概率被保留下来，成为新晶粒的有效形核点，这促使熔池底部形成更细小的等轴晶区，而熔池中心区则保持相对较大的晶粒结构，这一组织异质性可在拉伸过程中诱导显著的异质变形强化（HDI）效应，从而提升材料的持续应变硬化能力，延缓颈缩形成。

晶粒尺寸与EBSD反极图对比

析出相表征

基于加载-卸载-再加载（LUR）测试的HDI应力演化

③ 析出相形貌保持稳定而沉淀数量略有提升，强化机制未受破坏

T6处理后，团队在两种状态的样品中均观察到了片状的θ'-Al2Cu析出相，且尺寸与形貌基本一致，这说明LNC处理在增强组织异质性的同时并没有实质性地改变析出机制，合金的析出强化机制并未受到折损，且LNC样品中θ'析出相的数量密度反而因Cu固溶度提高而略有提高。

θ'-Al2Cu析出相的TEM形貌与尺寸分布

均匀伸长率的测量值与理论预测值比较

④ 实现强度与延展性同步提升：性能协同来源可量化区分

LNC-T6样品抗拉强度由448MPa提升至482.1MPa，延伸率从7.0%提高至10.9%，基于指数应变硬化模型（ESH）分析发现，延展性提升中约69%来源于异质组织带来的增强应变硬化能力，而31%来源于孔隙减少引发的变形稳定性提高，这表明本策略真正实现了组织调控与缺陷抑制的协同优势，而非性能相互牺牲的简单折中。

CGC-T6与LNC-T6样品的拉伸应力-应变曲线及性能对比

基于ESH模型的塑性变形行为拟合与参数提取

【总结与展望】

研究提出了可直接集成至现有Arc-DED装备的低成本冷却调控策略，利用同步液氮喷冷最终获得强度与延展性同步提升的增材制造Al-Cu合金，该策略对大型轻质航空结构件、复杂受力构件及可持续增材制造质量控制具有直接工程意义，具备可规模化推广的潜力。