上海交大采用電弧增材制造稀土鎂合金試樣實現卓越性能

來源：WAAM電弧增材 l

晶粒細化是通過快速冷卻速率實現的，這有助于獲得更細小的晶粒，從而提高合金的強度。位錯堆積則是指在合金的沉積過程中形成的位錯被積累在一起，這些位錯的存在有助于促進稀土強化相的析出。在WAAM過程中，由于高冷卻速率和循環(huán)熱應力的作用，合金內部形成了大量的位錯，這些位錯堆積在一起，為稀土元素的析出提供了豐富的核心，從而促進了細小均勻的稀土強化相的高密度析出。

這些高密度析出的稀土強化相，如β′相，具有納米級尺寸，能夠有效地阻礙位錯和孿晶的運動，從而顯著提高了合金的強度和抗蠕變性。這種強化機制在WAAM制備的合金中尤為明顯，因為WAAM技術特有的快速凝固過程有利于形成這種細小且均勻分布的強化相。

近日，上海交通大學輕合金研究所吳國華教授和童鑫助理研究員的研究團隊在鎂合金領域取得了顯著的研究成果。他們重點研究了電弧熔絲增材制造（WAAM）技術制備的Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K) 合金的時效析出行為，并將其與鑄造合金進行了比較。這項研究揭示了WAAM制造的GW93K合金具有比鑄造合金更高的抗拉強度和延伸率，這主要歸功于晶粒細化和位錯堆積誘導的細小均勻的稀土強化相高密度析出。

▲論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221395672400063X


研究背景
高強鎂稀土（Mg-RE）合金，如Mg-9Gd-3Y-0.5Zr（GW93K）合金，因其優(yōu)異的強度和抗蠕變性在航空航天等關鍵領域得到廣泛應用。時效強化是這類合金的主要強化手段，基體中所形成的納米級β′棱柱面沉淀相能有效阻礙位錯和孿晶運動。目前，高RE含量Mg-Gd-Y-Zr合金的研究主要集中在鑄造合金方面。但隨著航空航天構件向大尺寸和復雜結構發(fā)展，傳統(tǒng)的鑄造、變形等方法已經很難滿足要求，而Mg-RE合金的增材制造（AM）開始受到關注。與以粉體為原料的增材制造工藝相比，電弧熔絲增材制造（如WAAM）具有氧化物夾雜及氣孔缺陷少、沉積效率高等優(yōu)勢，更適用于制造航空航天大型復雜構件。已有研究表明，WAAM制備的Mg合金的強度和塑性均優(yōu)于鑄造合金。然而，WAAM制備的Mg-RE合金的沉淀析出行為尚未探明，特別是與鑄造合金之間的差異亟待闡明。

近日，上海交通大學輕合金研究所吳國華教授、童鑫助理研究員團隊同太原科技大學白培康教授、中北大學趙占勇副教授等團隊在鎂合金領域頂刊Journal of Magnesium and Alloys上發(fā)表了題為"Exceptional mechanical properties of wire arc additive manufactured Mg-9Gd-3Y-0.5Zr alloy induced by promoted precipitation behavior"的研究成果。本研究重點研究了WAAM制造的 Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K) 合金的時效析出行為，并將其與鑄造合金進行了系統(tǒng)比較，這一工作讓我們對增材制造重稀土鎂合金的強化機制有了新的認識。

▲圖 1. 鑄態(tài)和沉積態(tài) GW93K 合金的微觀結構特征：

（a、d）光學和（b、e）掃描電鏡顯微照片，

（c、f）上述掃描電鏡顯微照片所對應的 EDS 圖

▲圖 2.（a）T4 處理前后沉積態(tài)和鑄態(tài) GW93K 合金的 XRD 圖譜；

（b）相應的掃描電鏡顯微照片

▲圖 3. 沉積態(tài)和鑄態(tài) GW93K 合金的 EBSD 結果：

（a, d）晶粒形態(tài)；（b, e）KAM 圖；

（c, f）不同取向角的 GB 分布。

(g)和(h)顯示了不同合金中具有不同取向差的 GB 的占比（%）

▲圖 4. GW93K 合金的機械性能：

（a）T4 處理合金的時效硬化曲線；（b）拉伸性能；（c）拉伸強度和伸長率與其他合金的比較

▲圖 5. 用不同方法制備的峰值時效 GW93K 合金的 TEM 組織：

（a、b）分別為鑄態(tài)合金和沉積態(tài)合金的 HAADF-STEM 圖像和SAED 圖形

(c) 沉積合金中沉淀物的 HRTEM 圖像；

(d) (c) 中方形區(qū)域的放大圖，內嵌相應的 FFT 圖；

▲圖 6. 沉積態(tài) GW93K 合金在不同時效階段的 TEM 圖像：

（a，d）欠失效；（b，e）峰值時效；

（c，f）過時效；

（g）和（h）分別是峰值時效和過時效下析出相的EDS圖譜

關鍵結論
這項研究系統(tǒng)地比較了鑄造和 WAAM 成形的 GW93K 合金之間的差異。結果表明，WAAM 成形的合金具有更高的抗拉強度和伸長率。通過比較兩組合金在峰值時效狀態(tài)下的組織結構，發(fā)現除了晶粒細化外，沉積過程中形成的位錯堆積誘導了細小均勻的稀土強化相高密度析出，這是 WAAM 樣品具有高性能的重要原因。通過對比沉積態(tài)合金在不同時效狀態(tài)下的析出行為發(fā)現，在過時效狀態(tài)下，那些亞穩(wěn)的β′ 相之間的交界處會形成新的析出相 βM。