上海交大采用电弧增材制造稀土镁合金试样实现卓越性能

来源：WAAM电弧增材 l

晶粒细化是通过快速冷却速率实现的，这有助于获得更细小的晶粒，从而提高合金的强度。位错堆积则是指在合金的沉积过程中形成的位错被积累在一起，这些位错的存在有助于促进稀土强化相的析出。在WAAM过程中，由于高冷却速率和循环热应力的作用，合金内部形成了大量的位错，这些位错堆积在一起，为稀土元素的析出提供了丰富的核心，从而促进了细小均匀的稀土强化相的高密度析出。

这些高密度析出的稀土强化相，如β′相，具有纳米级尺寸，能够有效地阻碍位错和孪晶的运动，从而显著提高了合金的强度和抗蠕变性。这种强化机制在WAAM制备的合金中尤为明显，因为WAAM技术特有的快速凝固过程有利于形成这种细小且均匀分布的强化相。

近日，上海交通大学轻合金研究所吴国华教授和童鑫助理研究员的研究团队在镁合金领域取得了显著的研究成果。他们重点研究了电弧熔丝增材制造（WAAM）技术制备的Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K) 合金的时效析出行为，并将其与铸造合金进行了比较。这项研究揭示了WAAM制造的GW93K合金具有比铸造合金更高的抗拉强度和延伸率，这主要归功于晶粒细化和位错堆积诱导的细小均匀的稀土强化相高密度析出。

▲论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221395672400063X


研究背景
高强镁稀土（Mg-RE）合金，如Mg-9Gd-3Y-0.5Zr（GW93K）合金，因其优异的强度和抗蠕变性在航空航天等关键领域得到广泛应用。时效强化是这类合金的主要强化手段，基体中所形成的纳米级β′棱柱面沉淀相能有效阻碍位错和孪晶运动。目前，高RE含量Mg-Gd-Y-Zr合金的研究主要集中在铸造合金方面。但随着航空航天构件向大尺寸和复杂结构发展，传统的铸造、变形等方法已经很难满足要求，而Mg-RE合金的增材制造（AM）开始受到关注。与以粉体为原料的增材制造工艺相比，电弧熔丝增材制造（如WAAM）具有氧化物夹杂及气孔缺陷少、沉积效率高等优势，更适用于制造航空航天大型复杂构件。已有研究表明，WAAM制备的Mg合金的强度和塑性均优于铸造合金。然而，WAAM制备的Mg-RE合金的沉淀析出行为尚未探明，特别是与铸造合金之间的差异亟待阐明。

近日，上海交通大学轻合金研究所吴国华教授、童鑫助理研究员团队同太原科技大学白培康教授、中北大学赵占勇副教授等团队在镁合金领域顶刊Journal of Magnesium and Alloys上发表了题为"Exceptional mechanical properties of wire arc additive manufactured Mg-9Gd-3Y-0.5Zr alloy induced by promoted precipitation behavior"的研究成果。本研究重点研究了WAAM制造的 Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K) 合金的时效析出行为，并将其与铸造合金进行了系统比较，这一工作让我们对增材制造重稀土镁合金的强化机制有了新的认识。

▲图 1. 铸态和沉积态 GW93K 合金的微观结构特征：

（a、d）光学和（b、e）扫描电镜显微照片，

（c、f）上述扫描电镜显微照片所对应的 EDS 图

▲图 2.（a）T4 处理前后沉积态和铸态 GW93K 合金的 XRD 图谱；

（b）相应的扫描电镜显微照片

▲图 3. 沉积态和铸态 GW93K 合金的 EBSD 结果：

（a, d）晶粒形态；（b, e）KAM 图；

（c, f）不同取向角的 GB 分布。

(g)和(h)显示了不同合金中具有不同取向差的 GB 的占比（%）

▲图 4. GW93K 合金的机械性能：

（a）T4 处理合金的时效硬化曲线；（b）拉伸性能；（c）拉伸强度和伸长率与其他合金的比较

▲图 5. 用不同方法制备的峰值时效 GW93K 合金的 TEM 组织：

（a、b）分别为铸态合金和沉积态合金的 HAADF-STEM 图像和SAED 图形

(c) 沉积合金中沉淀物的 HRTEM 图像；

(d) (c) 中方形区域的放大图，内嵌相应的 FFT 图；

▲图 6. 沉积态 GW93K 合金在不同时效阶段的 TEM 图像：

（a，d）欠失效；（b，e）峰值时效；

（c，f）过时效；

（g）和（h）分别是峰值时效和过时效下析出相的EDS图谱

关键结论
这项研究系统地比较了铸造和 WAAM 成形的 GW93K 合金之间的差异。结果表明，WAAM 成形的合金具有更高的抗拉强度和伸长率。通过比较两组合金在峰值时效状态下的组织结构，发现除了晶粒细化外，沉积过程中形成的位错堆积诱导了细小均匀的稀土强化相高密度析出，这是 WAAM 样品具有高性能的重要原因。通过对比沉积态合金在不同时效状态下的析出行为发现，在过时效状态下，那些亚稳的β′ 相之间的交界处会形成新的析出相 βM。