电弧+丝材增材制造(WAAM)技术是基于离散/堆积的成形原理,将目标工件的实体模型首先通过软件在垂直于水平方向上进行2D分解,然后由电弧熔化金属丝材,机械系统带动焊枪沿程序预设的成型路径逐层堆积出3D实体零件,实现“自由制造”。WAAM技术可替代传统的减材加工方式,尤其适用于快速制造复杂度较低的大中型零部件,可在保持或改善部件性能的前提下大量节省材料和成本,缩短生产周期,绿色环保,降低新品的开发成本和风险,已成为最有希望实现高质量全密度金属零件经济、快速的成形方法之一。2XXX高强铝合金是是航空航天业最为广泛使用的变形铝合金系列。现在业内已经开始利用WAAM技术制备Al-Cu合金,但是其WAAM成型合金及结构件的推广应用受到成型效率低、成型后金属性能不足及缺陷较多的制约。本文将脉冲变极性冷金属过渡(CMT-PA)电弧工艺应用于WAAM Al-Cu-(Mg)铝合金的制备。系统地研究了 WAAM 2319(Al-Cu6.3)铝合金的成型工艺和参数,及其直接成型态、轧制态、热处理态合金的组织和性能,并研究了冷加工和热处理对气孔缺陷的影响。本文首次将双丝弧焊工艺运用于WAAM铝合金的成型,当使用两种不同合金元素及成分的焊丝(Al-Cu+ Al-Mg)时,通过调整两根丝的送丝速度,可以制备出多种成分的三元合金(Al-Cu-Mg)。最后本文根据优化的三元成分制备出直径为1.2 mm的Al-Cu4.3-Mg1.5合金丝,并进行了WAAM成型及增强实验。主要的研究发现和意义包括:通过与其他GMAW和CMT工艺对比,发现CMT-PA工艺具有WAAM成型性优良,成型效率高,热输入小,合金组织细小等优点。此工艺WAAM成型过程中的干伸长、保护气流量、层间冷却时间、送丝速度和堆积速度等参数对WAAM 2319合金的成型和组织有较大影响。直接堆积态WAAM 2319铝合金的晶粒细小,微观组织非均匀分布。Cu元素主要以固溶和第二相Al2Cu的形式存在,其他合金元素主要固溶进入铝基体、形成第二相或掺杂进入Al2Cu相。此状态合金的力学性能近似各向同性,抗拉强度、屈服强度和延伸率分别可达260 MPa、106 MPa和12%以上。虽然这些数据都高于2219-0态铝合金,但是依然低于工业应用的T态变形铝合金板材的性能,因此一般不可直接应用,需要增强处理。WAAM 2319铝合金被15 kN、30 kN和45 kN层间轧制后,由于合金中位错密度和细小亚晶界数量的增加形成冷加工。合金的变形量、硬度和强度随轧制力的增大线性增加。45 kN下的维氏显微硬度可达102,抗拉强度和屈服强度分别可达315 MPa和245 MPa。此合金T6热处理后主要的强化机制是析出强化,铝基体上垂直分布着大量的亚稳相,合金的显微硬度值可提高110%。未经层间轧制和经过层间轧制的合金在T6热处理后的力学性能相似,抗拉强度、屈服强度和延伸率至少可分别达到450 MPa、305 MPa和14%以上,经过轧制再热处理的合金再结晶晶粒显著细化,延伸率高23%,这些性能都高于工业2219-T6及T8态铝合金的性能。虽然WAAM 2319铝合金经高温热处理后可显著增强,但却伴随着“二次气孔”的问题,合金中气孔的总数量和面积比增加。层间轧制可以有效的控制气孔的尺寸和数量,因为气孔随着轧制力的增加被逐渐压扁、闭合,气孔闭合率与合金变形量和气孔尺寸有关。原气孔中的氢大部分吸附于轧制产生的位错、空位等缺陷。45 kN轧制+高温热处理后,合金内部由于位错释放、应变回复和空位热迁移引起氢析出和气孔长大、圆化,只生成一些2-3 μm的圆形小气孔。此种轧制冷加工的工艺不仅有益于WAAM成型,也可推广应用于传统的焊接过程,以消除缺陷,改善性能。通过对比双丝WAAM 2319合金和单丝WAAM 2319合金的成型和组织可知,双丝成型过程热输入较高,成型合金组织粗大,力学性能略低。使用Al-Cu和Al-Mg两种不同成分的合金丝可制备出多种成分的Al-Cu-Mg合金。当Cu含量固定为4.3%,Mg含量为1.5%-2.5%时,WAAM Al-Cu-Mg合金的开裂倾向最小。相比较单丝WAAM 2319合金而言,双丝Al-Cu-Mg合金的显微硬度增长58%,屈服强度提高34-57%。根据双丝优化成分制得非标准的Al-Cu4.3-Mg1.5合金丝,其直接堆积态合金的横向性能稳定,抗拉强度和屈服强度分别可达280 MPa和185 MPa,延伸率12%。但是纵向的大量微裂纹导致其较差的塑形,延伸率只有3%。此合金层间轧制后纵向性能改善明显,经45 kN轧制延伸率可达8.4%。45 kN轧制+T6热处理合金纵向的延伸率为8.2%,抗拉强度和屈服强度分别可达495 MPa及400 MPa以上,高于2024-T6态工业变形铝合金的性能。