世界首台神经拟态架构（哈工大首创多尺度方法）

世界首台神经拟态架构（哈工大首创多尺度方法）结果表明，即使层间温度不同，所有组件的顶部区域都出现长羽状孪晶和相对较短的常规树枝晶的组合结果，其中孪晶和常规枝晶的主轴分别沿<011>和<001>方向。随着层间温度的降低，孪晶区的取向成分更加单一。中间区域仅由常规树枝晶组成。随着层间温度的升高，柱状晶的尺寸、长径比减小。正常树枝晶的<001>织构变弱，HAGBs的比例也相应增加。文中首次采用多尺度表征方法全面研究了层间温度对微观结构的影响。测试沿试样高度方向的硬度。通过已经验证的数值模型来模拟热过程，并为机理分析提供线索。根据模拟结果，分析了层间温度影响下的本征机理。电弧增材制造（WAAM）是一种以电弧为热源，以电线或粉末为原料的增材制造技术。由于其热源不集中和冷却速度较低，经后处理的力学性能可与锻件相媲美，甚至更高。此外，当使用交流电或可变极性时，该方法对孔隙度的敏感性较低。由于无需屏蔽室，理论上对

导读

该研究旨在阐明高合金化四元Al-Zn-Mg-Cu合金在电弧增材制造（WAAM）过程中微观结构与层间温度之间的复杂关系。结果表明，较高的层间温度导致孪晶取向不均匀，晶粒细化，高角度晶界（HAGBs）增加，但对第二相和沉淀相的成分的影响十分有限。虽然相对于电弧热来说，层间温度的贡献受限，但较高的层间温度确实大幅推动动态沉淀过程，并且沿高度方向上观察到了硬度的非均匀分布，其演变过程与动态沉淀一致。

Al-Zn-Mg-Cu铝合金具有超高的比强度、韧性和抗疲劳性，自20世纪40年代首次应用于战斗军舰以来，已广泛应用于航空工业，并成为现代飞机的主要结构材料。在航空和军事工业快速发展的推动下，目前已经开发出几代Al-Zn-Mg-Cu合金。该合金成分专门设计，具有理想的力学性能和耐腐蚀性。

随着现代结构设计的发展，增材制造技术已逐步代替传统的锻造和加工工艺，以满足日益增长的柔性需求。然而，Al-Zn-Mg-Cu铝合金的凝固范围较宽，在增材制造中的冷却速度较高，因此对凝固裂纹的敏感性非常显著。近年来，越来越多的研究者致力于解决这一问题。

电弧增材制造（WAAM）是一种以电弧为热源，以电线或粉末为原料的增材制造技术。由于其热源不集中和冷却速度较低，经后处理的力学性能可与锻件相媲美，甚至更高。此外，当使用交流电或可变极性时，该方法对孔隙度的敏感性较低。由于无需屏蔽室，理论上对部件尺寸没有限制。因此，在制备Al-Zn-Mg-Cu铝合金，特别是大尺寸结构铝合金的领域很有前途。近年来，沉积高强度7000系合金的成功实践案例被广泛报道。然而，超高强度7000系Al-Zn-Mg-Cu合金的WAAM研究仍处于可行性验证阶段。

在前期研究中，通过对微观结构和力学性能的系统表征，验证了2219-Al WAAM的可行性。经过特殊热处理后，拉伸性能提高到锻件的水平，并成功制备了第三代Al-Zn-Mg-Cu合金，初步证明了通过W-AAM生产无裂纹超高强度铝合金的可能性。在研究过程中，发现微观结构对热过程非常敏感。

基于此，作为前期研究的延续，哈尔滨工业大学蔡笑宇和林三宝教授课题组利用不同的层间温度制备了若干单道多层7055-Al组件。研究成果以题为“Effects of interlayer temperature on the microstructures of wire arc additive manufactured Al-Zn-Mg-Cu alloy: Insights into texture responses and dynamic precipitation behaviors”发表于增材制造顶刊《Additive Manufacturing》。以织构响应和动态沉淀为对象，采用试验和数值相结合的方法研究了微结构响应。

文中首次采用多尺度表征方法全面研究了层间温度对微观结构的影响。测试沿试样高度方向的硬度。通过已经验证的数值模型来模拟热过程，并为机理分析提供线索。根据模拟结果，分析了层间温度影响下的本征机理。

结果表明，即使层间温度不同，所有组件的顶部区域都出现长羽状孪晶和相对较短的常规树枝晶的组合结果，其中孪晶和常规枝晶的主轴分别沿<011>和<001>方向。随着层间温度的降低，孪晶区的取向成分更加单一。中间区域仅由常规树枝晶组成。随着层间温度的升高，柱状晶的尺寸、长径比减小。正常树枝晶的<001>织构变弱，HAGBs的比例也相应增加。

层间温度对第二相的形态、类型和化学成分的影响有限。所有试样都观察到晶界上复杂连续网状的第二相。SEM、XRD和TEM结果证实，第二相主要为η-Mg(Zn，Al，Cu)2。此外，还存在少量的S-Al2CuMg，其独立成核并在η-Mg(Zn，Al，Cu)2网络上生长。其他相的角部或间隙处发现了含铁杂质相的生长。

所有试样中均出现动态沉淀。根据层间温度，，析出物的尺寸随着与预制壁顶面的距离增加呈不同程度的增大趋势。层间温度越高，动态沉淀过程越快。然而，层间温度对沉淀产物的类型没有影响，沉淀物均为η-Mg(Zn，Al，Cu)2。

TEM结果表明，尽管动态沉淀发生于热挥发过程中，但仍然遵循标准沉淀顺序，至少在早期阶段是如此。在此工作中，电弧热的贡献对于驱动动态沉淀过程至关重要。相比之下，层间温度的贡献则十分有限。然而，较高的层间温度对动态沉淀过程的贡献更大。

在不同的层间温度下，所有试样的硬度都略有增加，变化趋势与动态沉淀过程相吻合。所有试样上表面附近的硬度都相似，而在高层间温度试样的下部，硬度的下降趋势并不显著。

事实上，在增材制造的实际生产中，多道次多层沉积也经常使用，且过程更为复杂。基于当前发现的机制，未来的工作将集中于材料在该过程中的行为变化。

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