Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金凭借优异的比强度，成为替代钢材实现装备轻量化的理想选择。然而，常规增材制造技术（激光粉末床熔融LPBF、电弧增材WAAM）制备该合金时，面临以下难题：裂纹和气孔缺陷多、晶粒粗大且呈柱状晶择优生长、强度与塑性难以兼顾。

基于此，燕山大学、大连理工大学等单位将激光-电弧复合增材（LAHAM）与热处理相结合，在不改变合金成分的前提下，通过调控激光功率和热处理工艺实现了缺陷、晶粒、析出相的多维度调控，为解决Al-Zn-Mg-Cu合金增材制造的性能瓶颈提供了有效方案，研究成果以“Regulating microstructure and strength-ductility synergy of laser-arc hybrid additive manufactured Al-Zn-Mg-Cu alloy”为题，发表在期刊《Journal of Materials Processing Technology》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2025.119156

研究发现，激光功率对气孔率的影响呈现先降后升的规律：当激光功率从0W增至120W时，气孔率从0.49%降至最小值0.36%；继续升高至240 W时，气孔率急剧增至0.97%。XCT三维重构显示，低激光功率（≤60 W）时缺陷主要为球形氢气孔，而高激光功率（>180 W）时则转变为不规则匙孔型气孔。

图1 不同激光功率下Al-Zn-Mg-Cu合金沉积样件气孔分析：（a）P=0 W时气孔三维CT重建；（b）P=240W时气孔三维CT重建；（c）气孔等效直径分布；（d）P=0 W时气孔数量密度及累积频率；（e）P=240 W时气孔数量密度及累积频率

激光功率的优化调控改善了晶粒形貌。当激光功率为0 W时，组织以粗大柱状晶为主，平均晶粒尺寸为70.1 μm；当功率提升至180 W时，形成电弧区柱状晶+激光区等轴晶的双峰组织，等轴晶比例达50%，平均晶粒尺寸降至30.4 μm，细化幅度达到57%。结合熔池凝固过程CFD模拟，探讨了微观组织的形成及演变机理。从熔池底部到顶部，熔池固液界面的温度梯度迅速减小，而激光功率的增加会显著提高整体温度梯度。将不同激光功率下模拟获得的温度梯度和凝固速率标注在CET图中，低激光功率下凝固组织完全处于柱状晶生长区域。当激光功率处于120 W~180 W之间，凝固条件在CET图中的位置逐渐向混合生长区域移动，形成柱状晶与等轴晶共存的组织特征。

图2 不同激光功率下Al-Zn-Mg-Cu合金沉积样件的EBSD分析

图3 LAHAM成形Al-Zn-Mg-Cu合金CET转变示意图：（a）微观组织演变；（b）不同激光功率下温度梯度分布；（c）不同激光功率下凝固速率分布；（d）凝固条件在CET图中的位置

沉积态Al-Zn-Mg-Cu合金的抗拉强度为319 MPa，断后伸长率仅为2.9%。热处理后的Al-Zn-Mg-Cu合金具有优异的强度-塑性组合，经过双级固溶处理后，即时效处理0 h，抗拉强度和断口伸长率显著提高至440±7 MPa和10.3±0.2%。在时效处理24 h样件中，抗拉强度进一步增加到602±8 MPa，断后伸长率略有降低，达到8.9±0.1%。时效处理96 h样件也表现出较高的强度，屈服强度和抗拉强度分别为450±5 MPa、536±9 MPa，而断后伸长率急剧降至7.5±0.3%。

图4 （a）应力-应变曲线；（b）抗拉强度、断口伸长率与参考文献LPBF和WAAM成形Al-Si、Al-Cu、Al-Mg以及Al-Zn-Mg-Cu合金的比较