1 研究背景
铝铜合金因其高比强度、优异的抗断裂性能和良好的耐腐蚀性，已成为航空领域不可或缺的金属材料，但传统铸造或锻造工艺难以满足复杂结构件的高质量需求。激光送丝增材制造（LWAM）作为增材制造的重要分支，虽能高效成形复杂构件，然而，LWAM过程中的循环沉积、瞬时熔化和快速凝固会导致大的温度梯度，使得铝铜合金通常呈现沿构建方向生长的粗大柱状晶粒。此外，快速凝固阻碍了溶质元素的扩散，导致成分过冷不足和枝晶形核困难，这些问题导致高度织构化的结构和微观结构不均匀，显著降低了LWAM铝铜合金的力学性能。
通过优化工艺参数或引入形核颗粒虽能部分改善问题，但存在效率低或分布不均的局限。研究表明，激光束振荡技术（如8字形振荡）可通过增强熔池流动、降低温度梯度，有效细化晶粒并促进柱状晶向等轴晶转变（CET），同时减少气孔缺陷，其能量分布均匀性较圆形振荡提升60%，为LWAM制备高性能Al-Cu合金提供了新思路，但其具体作用机制仍需深入探索。
西南交通大学熊俊教授及其团队在材料科学领域顶刊Materials Science and Engineering: A上发表了题为"Microstructural characteristics and mechanical properties of Al-Cu alloys fabricated via 8-shaped oscillating laser wire additive manufacturing"的研究成果。本研究提出了一种新策略，将8字形光束振荡与激光定向能量沉积相结合，以解决这些问题。研究了振荡频率和振幅对单道沉积层能量通量分布和宏观形貌的影响。揭示了光束振荡对通过振荡激光送丝增材制造（O-LWAM）制造的铝铜合金的微观结构特征和拉伸性能的影响。
2 论文图片
图1(a) 实验装置的全视图 (b) 激光与垂直方向的夹角为8°，送丝喷嘴与基板表面的夹角为20°
(c) 8字形振荡路径 (d) 扫描单元的细节
图2 (a) Al-Cu合金薄壁部件。(b) 取样位置。(c) 金相试样的细节。(d) 拉伸试样的尺寸
图3 8字形振荡激光对能量密度分布的影响（f = 10 Hz）：(a) 1.5 mm，(b) 2.5 mm，(c) 3.5 mm
图4 振荡频率对8字形振荡激光能量密度分布的影响（A = 1.5 mm）：(a) 非振荡激光，(b) 20 Hz，(c) 60 Hz，(d) 100 Hz
图5 不同振荡工艺参数下单道沉积层的宏观形貌：(a)–(e) 不同振幅（f = 10 Hz），(f) 非振荡激光，(g)–(o) 不同频率（A = 1.5 mm）
图6 振荡激光对单道沉积层宽度（W）和高度（H）的影响：(a) W和H的示意图，(b) W和H随振幅的变化，(c) W和H随频率的变化
图7 不同振荡频率和振幅下单道沉积层的晶粒形态：(a)–(e) 振幅为1.5–3.5 mm（f = 10 Hz），(f)–(j) 频率为20–100 Hz（A = 1.5 mm）
图8多层Al-Cu合金薄壁部件不同区域的微观结构：(a)–(d) LWAM试样，(e)–(h) O-LWAM试样
图9 8字形振荡激光抑制气孔的机制示意图：(a) 激光能量积累，金属丝熔化并落入熔池，(b) 激光束关闭，气孔无法逸出，
(c) 8字形振荡激光形成稳定的匙孔并产生强烈的搅拌效果，加速熔体流动，(d) 气体通过熔池对流逸出，无气孔生成
图10 EBSD扫描图像：(a)–(c) LWAM试样的IPF、KAM图和PF，(d)–(f) O-LWAM试样的IPF、KAM图和PF
图11 晶粒直径分布：(a) LWAM试样，(b) O-LWAM试样，(c) LWAM试样的晶粒错位角分布，(d) O-LWAM试样的晶粒错位角分布
图12 晶粒演变示意图：(a) 非振荡沉积，(b) 8字形振荡激光沉积
图13 LWAM和O-LWAM试样的XRD谱图
图14多层薄壁部件的微观结构和元素分布图：(a)–(b) LWAM和O-LWAM试样的微观结构和元素分布图，(c) P1的EDS成分，(d) P2的EDS成分
图15 LWAM和O-LWAM试样的拉伸性能：(a)–(b) 应力-应变曲线，(c) UTS、YS和El的平均值，(d) 本研究与文献中Al-Cu合金的UTS、YS和El比较
3 关键结论
与非振荡激光相比，8字形振荡激光显著改善了熔池的能量密度分布，降低了温度梯度（G），并提升了沉积层的表面质量。
引入8字形光束振荡后，平均晶粒直径从29.43微米降至18.54微米。LWAM试样表现出明显的<100>织构，而O-LWAM试样的织构显著降低，这是由于柱状晶向等轴晶转变（CET）和晶粒细化。
LWAM和O-LWAM试样主要由α-Al相和θ-Al₂Cu相组成。铜富集的共晶相主要分布在晶界处，少量分布在晶内。与LWAM试样相比，O-LWAM试样中晶界处的铜元素含量降低了52.6%，表明8字形振荡激光可以抑制元素偏析并促进微观结构的均匀化。
LWAM试样在水平方向的抗拉强度（UTS）和延伸率（El）分别为237.4 ± 7.2 MPa和9.48 ± 0.12%。由于微观结构的变化，O-LWAM显著提高了UTS和El，分别提高了40.7%和20.4%。拉伸断裂分析表明，O-LWAM试样中的等轴晶粒允许更大的旋转和变形，这在提高强度和塑性方面发挥了重要作用。
