热加工工艺杂志

热加工工艺杂志2025年第14期

• 激光增材制造GH4169镍基高温合金力学性能各向异性及热处理调控研究进展

  赵哲南, 杨仕超, 张乐, 杨未柱, 曾延, 张斌, 鲍蕊,

  GH4169镍基高温合金拥有低裂纹敏感性和优异的高温力学性能，是激光增材制造航空航天高温部件的理想材料之一。然而，当前激光增材制造GH4169面临各向异性显著、高温服役环境的影响机制不明确、疲劳性能数据不充分等瓶颈问题，严重制约了其工程推广应用。热处理作为一种低成本、高效率的金属后处理工艺，能有效调控金属材料的细微观组织结构和力学性能，然而其对激光增材制造GH4169镍基高温合金的调控规律和机理较为复杂，仍需更深入的研究。系统梳理了激光增材制造GH4169镍基高温合金的各向异性力学性能，分析了材料独特的细微观结构和各向异性拉伸及疲劳性能，总结了热处理对材料细微观结构和力学性能的影响；并分析了当前研究面临的主要问题和挑战，展望了研究方向，以期为激光增材制造镍基高温合金在航空航天高温结构上的应用提供参考。

• 固溶温度对选区激光熔化成形TB6组织和力学性能的影响

  靳文士, 刘奋成, 尤启凡, 刘丰刚, 李智勇, 张珞,

  采用选区激光熔化技术制备了TB6钛合金试样，并对该试样进行了不同温度固溶+540℃×8 h时效处理，研究了固溶温度对合金显微组织和力学性能的影响。结果表明，固溶时效后合金组织由柱状β晶粒细化为等轴晶，内部形成大量的颗粒状或层片状α相及晶界αGB相。随固溶温度的提高，β晶粒尺寸迅速增大，由760℃平均晶粒尺寸的53 μm提升至840℃平均晶粒尺寸的693 μm，层片状αL体积分数逐渐降低，αGB相连续程度降低。拉伸测试结果显示，随固溶温度提高，材料的抗拉强度降低，由760℃的1227 MPa降低至840℃的1186 MPa；断后伸长率先升高后降低，在780℃固溶时效后最大，为10.3%。研究发现，α相形貌与β晶粒尺寸的变化影响了合金的强度与塑性，晶粒尺寸增大和α相量的减小严重影响材料的力学性能。

• 磁场辅助增材制造金属的微观组织及力学性能研究进展

  杨未柱, 牛启超, 樊哲铭, 方宇辉, 赵哲南, 苏晓璐, 李磊,

  金属增材制造技术无需模具、不受结构限制，在各行业得到广泛应用，已成为制造复杂形状产品的有效途径，但它仍面临成形构件易产生缺陷、材料各向异性、裂纹及元素偏析等问题。磁场辅助增材制造（M-FAAM）具有磁场形式多样、非接触式控制、调控效果显著等特点，为金属增材制造的微观组织与力学性能调控提供了创新途径。本文系统梳理了磁场对增材制造过程的影响机制，分析了沉积缺陷的形成机制及其调控效果，综述了磁场对微观组织调控和力学性能的影响。现有研究显示磁场辅助能影响熔池流动传热，调控凝固组织晶粒尺寸、枝晶生长形貌和沉积缺陷，并改善材料力学性能。但磁场辅助的熔池运动行为调控机理、熔池凝固过程影响机理和微观组织与力学性能关联关系等方面较为复杂。未来，需在揭示磁场对熔池流动和微观组织的精确调控机制、建立磁场参数/工艺-微观组织-力学性能关联关系、开发适用于增材制造的新型磁场调控技术等方面进一步深入，以推动M-FAAM在工程实际中的应用，实现高质量的金属增材制造。

• 增材制造纯钛的磨损与腐蚀磨损各向异性研究

  杨晓天, 周立波, 孙金山, 李聪, 陈维, 陈荐,

  采用激光粉末床熔融制备纯钛试样，构建方向分别为与基板平面呈0°、30°、45°、60°和90°，研究了纯钛样品的微观组织、干磨损和腐蚀磨损性能。结果表明：随着构建方向与基板平面夹角的增大，微观结构由等轴晶与针状马氏体α'的混合结构→锯齿状、针状马氏体α'→沿构建方向的细长马氏体α'转变，导致晶界密度降低以及施密特因子偏差增大。在干磨损试验过程中，犁沟磨损和氧化磨损是主要的磨损机制，而在Hank's溶液中，塑性变形为主要磨损机制。Hank's溶液有效地降低了磨损系数并减轻了高温氧化，但同时会诱发腐蚀坑的形成，从而加速磨损。施密特因子偏差、晶界密度以及平均晶粒的各向异性，是增材制造纯钛干磨损以及腐蚀磨损各向异性的原因。

• 300M钢等离子弧增材工艺参数多目标优化研究

  郭正华, 卢安, 赵明杰, 涂骏扬, 欧阳祥海, 姜丽红,

  为实现等离子弧增材制造300M钢宏微观质量的整体优化，采用焊接电流、送粉速率和扫描速度作为工艺参数设计正交实验。结果表明，工艺参数对沉积层宏观成形质量和微观缺陷影响程度的主次顺序并不相同。为此，基于多目标优化方法，建立了宏观形貌、几何特征和微观缺陷的多维度评价体系，对等离子弧增材300M钢的工艺参数进行系统性优化。结果表明：各工艺参数对宏微观成形质量的影响主次为：扫描速度＞焊接电流＞送粉速率。优化获得的最佳工艺参数组合为：焊接电流160 A、扫描速度0.14 m/min、送粉速率15 g/min。在优化工艺参数条件下，沉积层成形质量实现了多维度评价指标间的全局最优平衡。沉积层表面光滑平整，不稳定起焊区域及锯齿状边界消除，宽高比为4.29、孔隙率降为0.43%，且无大孔隙缺陷。

• 太空金属增材制造研究进展

  李俐群, 丁宏伟, 常帅,

  人类在探索太空的路上不断前行，从太空飞行到登陆火星、月球等地外行星，人类的航天事业取得了巨大成就。与此同时，建设地外行星基地以及修复与替换空间站和卫星零部件的需求也与日俱增。增材制造技术因其设计与制造的自由度高，在太空中制造领域具有广泛的应用前景。然而，太空中真空、微重力、粒子辐射、冷热温差等极端环境对太空增材制造技术造成了巨大的困难与挑战。目前，大部分太空增材的研究主要集中于非金属材料。介绍了太空金属增材制造技术的种类、实验方法以及制造过程与服役性能面临的挑战，为太空金属增材制造领域的发展提供参考。

• 微晶玻璃飞秒激光加工研究进展

  冯杰才, 卢正欣, 陶龙辉, 徐瑞, 唐敏,

  微晶玻璃具有优异的力学、热学、电学和光学性能等，在航空航天、电子信息、生物医疗等领域展现出巨大的应用潜力。然而，微晶玻璃固有的高硬度和脆性给传统加工方法带来了严峻挑战，传统机械加工容易产生微裂纹，化学腐蚀法则难以实现精细微结构加工。近年来，飞秒激光加工技术以其超短脉冲宽度和超高峰值功率的独特优势，为微晶玻璃的精密加工提供了新的解决途径。首先梳理了飞秒激光与微晶玻璃的相互作用机制，包括非线性吸收引发的材料改性、热效应诱导的应力演化以及晶相分布调控等。其次，分析了飞秒激光烧蚀、激光诱导改性结合化学刻蚀、晶化/相变法及飞秒激光复合加工等方法，及其在微流控芯片、光学器件集成、表面功能化、纳米结构诱导生长和材料连接切割等领域的典型应用。最后，总结了微晶玻璃飞秒激光加工仍存在的问题与应对策略，指出后续研究可通过高功率激光系统研发、加工过程实时监测、三维结构制备技术创新及融合人工智能等方法，推动微晶玻璃飞秒激光加工的规模化应用。

• 增强相预氧化对激光粉末床熔融SiC/AlSi10Mg复合材料微观组织及力学性能的影响

  李琛, 万杰, 坚佳莹, 李聪, 董浩, 袁满, 杨海欧, 林鑫, 陈豫增,

  在铝基复合材料领域中，SiC是一种常用的增强相颗粒，但其表面通常会有较高的表面能，直接使用SiC颗粒作为增强相难以充分发挥其性能强化效果，因此，需要对SiC进行预处理工作。系统研究了粉末高温氧化预处理对选择性激光熔化成形SiC/AlSi10Mg复合材料微观组织与力学性能的影响。通过对比未处理、SiC高温氧化处理的两种复合材料物相组成、致密性、晶粒取向及力学行为，揭示处理工艺对材料性能的调控机制。结果表明，SiC颗粒经高温氧化后表面生成SiO2薄膜，显著抑制了SiC与熔融Al基体的有害界面反应（生成Al4SiC4相），减少孔隙率并降低应力集中，使复合材料的抗压强度提升至584.7 MPa，抗拉强度达到424.6 MPa，伸长率达到5.2%。未预处理的复合材料抗压强度仅为574.5 MPa，抗拉强度为397.2 MPa，伸长率为1.8%。SiC颗粒氧化抑制了SiC与熔融Al基体的原位反应，从而抑制共晶硅粗化、减少微孔缺陷，协同增强了界面结合强度与位错钉扎效应。本研究为高强韧铝基复合材料的SLM成形工艺优化提供了理论依据与实验支撑。

• 碳纤维增强树脂基复合材料超快激光加工研究进展

  陶龙辉, 王勇, 冯杰才, 徐瑞, 彭效海, 卢正欣, 唐敏,

  碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）具有高强度、低密度和耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空航天、医疗和能源等领域。然而，由于CFRP各向异性和结构的不均匀性，高压水射流、机械加工等传统加工方法存在加工效率低，且容易出现纤维拉出、基质开裂、分层和膨胀等问题。近年来，超快激光因具有极短的脉冲宽度和极高的脉冲能量等特点，有望成为CFRP新型高效高质加工方法。因此，总结了超快激光与CFRP相互作用时的能量吸收、能量传递和材料去除的研究现状，分析了CFRP超快激光加工研究进展，梳理了现有的CFRP超快激光加工质量控制方法，以及人工智能辅助CFRP超快激光加工研究进展。最后，总结了CFRP超快激光加工的目前仍面临的挑战及其应对策略。

• 从机理到数据：超快激光加工工艺建模方法研究综述

  任子为, 冯杰才, 张仕进, 陈明,

  超快激光加工凭借高精度、非热熔特性成为微纳制造的关键技术，但复杂的多物理场耦合机理给工艺优化带来挑战。综述了超快激光加工建模方法的演进路径：机理模型（如双温方程、分子动力学）虽具物理可解释性，但面临计算复杂、跨尺度建模难的问题；数据驱动模型（机器学习、深度学习）通过挖掘实验数据提升预测效率，但依赖数据质量且缺乏物理一致性；混合模型融合机理与数据优势，通过物理约束机器学习等方法平衡可解释性与计算效率。研究指出，未来需突破跨尺度物理嵌入、动态工艺自适应建模及智能优化等关键方向，推动超快激光加工从“经验试错”向“模型驱动”范式转变，为航空航天、生物医疗等领域的精密制造提供理论支撑。

• 光学窗口材料飞秒激光加工研究进展

  冯杰才, 徐瑞, 董晓浩, 李诚, 卢正欣, 陶龙辉,

  金刚石、硫化锌和碳化硅等光学窗口材料具有良好的机械和光学特性，是红外成像制导系统的关键材料。超短脉冲、高瞬时功率的飞秒激光已成为金刚石等光学窗口材料的加工利器，解决了机械加工、化学刻蚀和微放电加工等传统加工技术存在的机械损伤、裂纹、粗糙度和残余应力高等问题。梳理了飞秒激光与宽禁带光学窗口材料相互作用的非线性能量吸收、非平衡态能量传递与转移机理和材料去除机制。分析了金刚石、硫化锌和碳化硅等光学窗口材料飞秒激光工艺研究及其典型应用。最后，总结了金刚石等光学窗口材料飞秒激光加工仍存在的问题及其应对策略。

• 316L不锈钢表面激光送丝熔覆钴基合金工艺及耐磨性能研究

  姚张富博, 李振岗, 郭洋, 朱彤, 何芬, 毛桂军, 张玉胜, 张红涛, 张建勋,

  采用激光送丝熔覆技术在316L不锈钢基板上制备了Stellite6钴基合金层，分析了熔覆层成形、稀释率、微观组织、化学成分、显微硬度以及耐磨性能等。结果表明，采用两层激光熔覆工艺可以保证熔覆层成形良好，稀释率低于5%且较为均匀。熔覆层微观组织为枝晶状的富Co固溶体与网状的共晶碳化物组成的亚共晶组织，两层熔覆的顶部网状碳化物相比底层更多。两层熔覆工艺使得熔覆层纵向显微硬度呈阶梯式上升，在1.8 mm厚后趋于稳定，熔覆层表面沿横向的显微硬度较为均匀，在450～550 HV。两层熔覆工艺的耐磨性能最好，摩擦系数为0.37，失重较基体减少了53.9%，其磨损机制由基体的粘着磨损主导转变为磨粒磨损主导。

• S700MC高强钢激光-电弧复合焊接接头组织与疲劳性能研究

  顾思远, 李子骏, 刘洋, 刘静静, 耿韶宁, 蒋平,

  采用单激光+激光-电弧复合焊接对10 mm厚S700MC高强钢进行焊接，对比分析了接头不同道次焊缝的组织和力学性能；通过升降法测定出S700MC母材疲劳极限为350 MPa，焊缝疲劳极限为172 MPa；采用Weibull分布模型和三参数幂函数S-N模型结合的方法拟合出S700MC焊缝的P-S-N曲线。结果表明：疲劳裂纹主要从焊缝热影响区的粗晶区萌生，该区域过热生成魏氏体，晶粒粗大，塑性差、韧性低、硬度高，使热影响区存在较大的硬度梯度，易产生应力集中，降低了接头疲劳性能。

• 基于编解码结构一维卷积神经网络的焊接坡口轮廓数据实时修复方法

  郝思彧, 陈荣涛, 王皖勇, 张轲,

  在焊缝跟踪过程中，强烈的弧光、烟尘、飞溅等的干扰，致使反映坡口形状和位置的坡口轮廓条纹发生跳变、破损和缺失，为后续的特征点提取带来极大的挑战，而传统的图像修复方法算力需求高，适应性差。因此，提出基于编解码结构一维卷积神经网络（1D-CNN）修复方法，通过编码进行特征提取，噪声抑制，通过解码恢复信号长度，重建受损区域，修复缺失数据，从而实现受损轮廓的修复。结果表明：相较于其它方法，一维卷积神经网络在修复精度和计算效率方面均表现出优势，可有效修复焊接过程中受损的坡口轮廓数据。其修复的平均均方差（MSE）仅0.1757，单帧轮廓修复时间不大于0.0031 s，完全满足焊缝实时跟踪要求。

• 2195铝锂合金薄板搭接搅拌摩擦焊接工艺研究

  胡皓鹏, 闫崇京, 武永, 熊成悦, 张春来, 董红瑞,

  面对飞行器铝合金整体壁板轻量化结构制造难题，基于提出的整体壁板搅拌摩擦焊接/超塑成形复合制造工艺，针对搅拌摩擦焊接工艺步骤，研究了焊接速度、搅拌头转速对2195铝锂合金薄板搭接搅拌摩擦焊接头力学性能、宏观形貌及微观组织的影响规律及机理。结果表明：焊接过程中不同焊接速度与搅拌头转速匹配引起的热输入差异影响了界面有效搭接宽度，最终影响接头力学性能。另外，不同的工艺参数组合会影响接头界面缺陷的形成，其中Hook缺陷高度主要与刀具和前进侧材料相对运动速度有关，相对运动速度越大，Hook缺陷高度越高。当转速为1200 r/min、焊接速度为100 mm/min时，接头有效搭接宽度最大且具有较好的力学性能，其最大断裂载荷为3.41 kN，抗拉强度为363 MPa，达到母材性能的75%。

• 镁合金专用熔剂研究进展与应用展望

  练政希, 刘泽宇, 李玖章, 肖鹏, 郭居魁, 谷柳, 祝绪堂, 任凌宝,

  熔剂常用于粗镁及镁合金精炼、铸造等成形过程，通过造渣、助熔、阻燃、变质等效用形式提升铸造品质，是当前镁合金制造—服役—循环回收全寿命服役过程中重要的辅助材料，对合金品质影响巨大。对于不同合金成分及杂质的镁合金，不同成分熔剂的作用效果差异显著，因此熔剂作用机理的阐明与系统研究对镁合金品质提升、镁合金产品的开发与工业化应用具有重要意义。本文系统性总结了在粗镁精炼、镁合金熔铸等应用背景下熔剂各组分的效用与机理，阐述了专用熔剂在熔体除Fe、稀土合金化、含钙镁合金制备、合金化等方面的应用难点与举措。展望了在熔剂作用机理、应用品质管控、专用材料场景、回收循环利用以及标准化推广等方面的研究需求。

• 热处理对电弧增材制造AZ80镁合金微观组织和力学性能的影响

  赵坤, 牛浩伊, 寇钢, 柴福伦, 羿昌波, 冯靖凯, 余大亮,

  采用冷金属过渡电弧增材制造（CMT-WAAM）成形AZ80镁合金单道墙构件，研究了490℃不同固溶时间的T4工艺和170℃不同时效时间的T6工艺对电弧增材制造AZ80镁合金显微组织及力学性能的影响。结果表明，沉积态AZ80镁合金上、中和下部晶粒分布均匀，组织由α-Mg、β-Mg17Al12和Al8Mn5组成，且第二相含量差异较小，其屈服强度较低（118 MPa）。T4处理可消除偏析并溶解β-Mg17Al12相，但随着固溶时间延长，第二相强化效果减弱，力学性能下降。T6处理通过β-Mg17Al12和Al8Mn5相的析出产生时效强化，并促进孪晶形成，28 h时效后达到峰值硬度，屈服强度较沉积态和T4态分别提升49.15%和57.14%。本研究揭示了热处理对AZ80镁合金组织与性能的调控机制，为优化其强韧性提供理论依据。

• 航空机轮轻量化技术发展：材料、结构与制造工艺协同创新与应用

  岳战国, 韩红刚, 张宏伟, 任凌宝, 何君林, 贾元浩,

  航空机轮刹车系统作为起落架的关键子系统，其轻量化、高承载与长寿命设计要求持续推动材料科学、结构力学与先进制造技术的协同创新。系统梳理了航空机轮技术体系的演进路径与发展趋势，重点阐述了以下内容：①轻量化材料体系历经铸造镁合金、变形铝合金两代技术迭代，未来高强韧铝合金与纤维增强复合材料将引领轻量化技术革新；②轻量化结构设计维度已形成双腹板式、单腹板式等典型结构，其中单腹板机轮与对开式机轮因应力分布优化成为高承载工况主流方案；③轻量化成形制造领域呈现多元技术路线并行发展态势，传统铸造工艺向精密铸造升级，锻造成形技术聚焦精密模锻工艺突破，旋压成形等特种加工技术用于复杂曲面构件制备。未来，通过构建材料-结构-工艺多学科协同设计范式，深度集成人工智能、数字孪生等智能技术，有望实现轻量化航空机轮全生命周期智能化管控，推动航空制动系统向现代化、智能化方向发展。

• 镁合金差速循环扩挤仿真与组织演变规律研究

  闫钊鸣, 黄通, 朱家萱,

  镁合金是目前工程应用领域最轻的结构金属材料，是装备轻量化的重要选材。细晶强化是同时提升镁合金强韧化的有效手段。提出一种压应力与剪切应力结合的往复变形大塑性变形工艺——差速循环扩挤，在一般循环扩挤变形基础上加入了非对称型腔，改变了金属流动规律，可以通过多次变形获得组织均匀细化的镁合金。采用Deform-3D有限元软件开展了不同模具结构与变形路径下（A、B路径）的数值模拟，分析了镁合金在成形过程中的应力场与应变场的变化规律，并通过试验分析合金不同路径与不同道次下的组织与织构演变规律。结果表明：差速变形通过膨胀充型与非对称挤压协同作用调控材料流动，其中A路径因梯度不对称应力场（非对称性随型腔高度差增大而增强）导致应变区域异质性，即非对称区＞对称区＞心部，而B路径通过多向应变协调机制实现应力/应变场均匀性提升。B路径凭借非平面应变效应与动态再结晶协同作用，晶粒细化显著优于A路径且长周期有序堆垛相（LPSO）相破碎程度与分布均匀性提高。多道次变形驱动（0002）基面织构极密度由3.7降低至1.8，晶粒多向随机排列特征显著，为调控镁合金各向异性提供了可量化工艺窗口。

• 镁合金变形机制及室温塑性调控策略研究进展

  郭阳阳, 付金龙, 范玲玲, 刘强, 刘溪, 李进,

  较低的室温塑性和变形能力限制了镁合金的工程应用。深入理解其塑性变形机制，并明确合金化、热塑性变形、热处理等手段对于镁合金的增塑作用，是实现镁合金塑性调控的基础。介绍了镁合金的塑性变形机制，并指出镁合金室温塑性差的根本原因在于可启动的位错滑移系数量不满足Von Mises准则。现有的镁合金塑性调控策略大致可以分为内禀塑性以及外禀塑性两类。其中内禀塑性调控策略主要包括降低非基面/基面位错的临界剪切应力比值以及降低合金的层错能、激活非基面滑移系的启动；外禀塑性调控策略包括调控晶粒尺寸、析出相、织构和元素晶界偏聚等，即通过组织特征结构的调控，促进多种位错滑移系的启动。

• 复合材料蜂窝夹芯板维修方案材料-结构一体化设计方法

  刘雄伟, 黄蕾, 郭聪, 杨泽, 马红艳, 刘德博, 田阔,

  复合材料蜂窝夹芯板在航空航天领域被广泛使用，其损伤维修后的结构强度直接影响装备服役安全。开展维修方案智能优化设计，对提升维修后的结构强度、提高结构安全性和可靠性、降低维修成本具有重要意义。基于子模型法与蜂窝等效分析方法，提出了一种复合材料蜂窝夹芯板维修方案材料-结构一体化设计方法。首先，基于蜂窝等效分析方法进行了面外压缩工况下复合材料蜂窝夹芯板算例验证，通过对比精细模型和等效模型的极限载荷，验证了等效模型的有效性。然后，建立了复合材料蜂窝夹芯板参数化子模型，在典型工况下对参数化子模型进行分析，通过对比子模型与全局模型的分析结果，验证了参数化子模型的有效性。最后，基于遗传算法对维修方案进行了优化设计。结果表明：优化后维修方案的强度恢复率达到82.68%，相比典型维修方案强度恢复率提高了10.71%，验证了优化设计的有效性。

• Co添加对Ni50-xCr20Fe20Al10Cox中熵合金微观组织和力学性能的影响

  张洋, 王建军, 赵聃, 焦志明, 张团卫, 马胜国,

  通过改变Ni与Co元素含量，在高纯度氩气氛下真空电弧熔炼制备得到Ni50-xCr20Fe20Al10Cox（x=0，5，10，at%，对应的合金分别简记为Co0、Co5和Co10）合金锭。利用热力学计算和分子动力学模拟分析Co对合金层错能的影响，利用XRD、SEM和TEM等分析合金的析出相形貌，并测试了合金的拉伸性能。结果表明，Co含量的增加和Ni/Co比的降低，明显降低合金的层错能，进而为合金的塑性变形行为提供更多的强化因子。时效热处理促使合金内部析出少量的BCC相沉淀物和高体积分数含量的L12相纳米颗粒，这些促使合金表现出优异的强塑性结合。该体系合金在室温条件下表现出优异的综合力学性能。Co5合金时效态的力学性能最佳，屈服强度约为685 MPa、抗拉强度约为1326 MPa、断后伸长率约为24%。Co5合金展现出优异的加工硬化能力，在真应变为1%～9%范围内保持了3400 MPa的稳态应变硬化率。