北航增材制造頂刊：揭示增材制造稀土鎂合金的顯微組織演變機(jī)理,！

來源：材料科學(xué)與工程

減重是航空航天工業(yè)長期以來追求的目標(biāo),。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化并采用更輕的鎂合金等材料可以實(shí)現(xiàn)航空器和航天器的大幅度結(jié)構(gòu)減重,，是未來的發(fā)展方向之一,。定向能量沉積增材制造技術(shù)不僅適合于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的柔性成形,，也是制備高性能金屬材料的新方法,。采用增材制造成形鎂合金構(gòu)件,，不僅可以降低復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)成本，同時也可以開發(fā)出新型高強(qiáng)鎂合金材料,，充分發(fā)揮鎂合金的減重優(yōu)勢,，拓寬鎂合金的應(yīng)用范圍。目前,，開發(fā)增材專用鎂合金材料并優(yōu)化增材制造鎂合金工藝參數(shù)仍是亟待解決的問題,。

北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實(shí)驗(yàn)室鄭冬冬博士、李卓副研究員（通訊作者）聯(lián)合上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家工程研究中心彭立明教授,、吳玉娟研究員等,，設(shè)計(jì)了增材制造專用Mg-Gd-Al-Zr系合金GA151K，并運(yùn)用多種材料學(xué)表征手段系統(tǒng)研究了激光定向能量沉積（laser-directed energy deposition,，LDED）GA151K合金沉積過程中的顯微組織演變機(jī)理,，分析了增材制造特有的小熔池快速冶金、非平衡快速凝固和熱循環(huán)（Thermal cycle）對GA151K合金顯微組織和力學(xué)性能的影響,。在此基礎(chǔ)上,，本文總結(jié)了增材制造Mg-RE合金顯微組織演化的共性，討論了合金元素,、增材制造工藝及參數(shù)對沉積態(tài)鎂稀土合金顯微組織的影響規(guī)律,。上述研究成果以“Effect of multiple thermal cycles on the microstructure evolution of GA151K alloy fabricated by laser-directed energy deposition”為題目發(fā)表在增材制造頂刊Additive manufacturing上。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102957

沉積態(tài)GA151K合金樣品的最后幾層受到次數(shù)有限的,、不完全的熱循環(huán),，顯微組織與下部分存在差異，稱為非穩(wěn)態(tài)區(qū)（Unstable zone,，UZ）,；其余大部分受到完整的熱循環(huán)，稱為穩(wěn)態(tài)區(qū)（stable zone,，SZ）,。UZ和SZ之間的分界線對工藝敏感，可以通過表征顯微組織,、模擬或檢測溫度場演變等方法獲知,，在表1中假設(shè)其分界線Layer N-x,。特別的，在UZ中,，最頂層為直接凝固組織,、未受到后續(xù)熱循環(huán)的影響，可以反映合金直接凝固組織的特點(diǎn),，稱為Top layer（TL）或Layer N,。分析TL和SZ兩區(qū)域的顯微組織差異，可以得出熱循環(huán)對顯微組織的影響規(guī)律,，也是認(rèn)識激光定向能量沉積增材制造鎂合金微觀組織演變的基礎(chǔ),。

表1 增材制造鎂合金樣品的不同區(qū)域

TL部分直接凝固組織為細(xì)小的等軸晶，晶粒尺寸約10μm,。經(jīng)過一次熱循環(huán)后,，第二相含量顯著下降（降幅9.3±2.1%），晶粒尺寸略有增加（增幅1.4±1.0µm）,。

圖1 a沉積態(tài)GA151K合金的金相照片、b-d不同位置的掃描電鏡像和e顯微組織形成過程示意圖

通過分析TL和SZ部分顯微組織差異可以獲知完整熱循環(huán)對顯微組織的影響,。該影響可以從相變和原位熱處理兩個角度分析：

（1）熱循環(huán)-相變,。如圖2所示，通過透射電鏡下的電子選區(qū)衍射分析,，晶間相結(jié)構(gòu)由β1GB-Mg3Gd變?yōu)棣翯B-Mg5Gd,。根據(jù)Mg-Gd相圖，該成分下的平衡晶間相為Mg5Gd,，但增材過程中最先形成了非平衡相（或近平衡相）Mg3Gd,。Mg3Gd的形成可以用相變驅(qū)動力解釋：在非平衡凝固過程中，由于形核能壘的影響,，吉布斯函數(shù)最低的相（Mg5Gd）很難直接形成,；通常需要先形成一個形核能壘較小但吉布斯函數(shù)較高的相（Mg5Gd）再轉(zhuǎn)變?yōu)榧�布斯函�?shù)最低的相。同時,，鎂晶粒內(nèi)部在熱循環(huán)影響下析出β′-Mg7Gd（圖3）,。

（2）熱循環(huán)-原位熱處理。從熱處理角度分析,，晶間相含量的大幅度下降稱為原位固溶處理,，β′-Mg7Gd的析出稱為原位時效處理或原位沉淀硬化（in situ precipitation hardening）。原位固溶處理仍殘留很多晶間相,，固溶不完全,；而原位沉淀析出β′-Mg7Gd的數(shù)量面密度可達(dá)1.56×10-3nm-2，接近時效中期的鑄造Mg-Gd合金,。同時,，與TL相比,，SZ的硬度提升了6.9±5.0HV�,？梢�,，原位沉淀硬化比原位固溶進(jìn)行的更充分，可以進(jìn)行深入研究,。

圖2 TL和SZ區(qū)域晶間相的透射電鏡像和相應(yīng)的電子選區(qū)衍射花樣


圖3 TL（a,，b）和SZ（c，d）區(qū)域α-Mg晶粒內(nèi)部的透射電鏡像和相應(yīng)的電子選區(qū)衍射花樣,，SZ區(qū)可見大量納米析出相β′-Mg7Gd

為了獲得本文工藝下的顯微組織演變?nèi)�過程,。作者對相變溫度進(jìn)行了討論。本文存在以下幾個關(guān)鍵相變溫度：液相線溫度TL,，共晶轉(zhuǎn)變溫度Tβ.e.（~548℃）,，β′-Mg7Gd析出的上限和下限溫度Tβ′.up.（~360℃）和Tβ′.low.（200℃下，β′-Mg7Gd長期穩(wěn)定,，因此可以認(rèn)為Tβ′.low.為200℃）,。通過增材制造在線監(jiān)測獲得溫度-時間曲線和理論溫度進(jìn)行比照，對增材制造過程中的相變行為進(jìn)行了推演,，如圖4c所示,。對于β′-Mg7Gd析出的關(guān)鍵位置、非穩(wěn)態(tài)區(qū)UZ和穩(wěn)態(tài)區(qū)SZ的分界位置,，通過聚焦離子束和透射電鏡等表征手段進(jìn)行了進(jìn)一步的明確,，如圖4b所示。在本文工藝下,，β′-Mg7Gd最早出現(xiàn)在第二次熱循環(huán)過程中,。第六次熱循環(huán)的最大溫度低于200℃，因此認(rèn)為第7層起為穩(wěn)態(tài)區(qū),，非穩(wěn)態(tài)區(qū)UZ為樣品最上方六層即Layer N至Layer N-5,。通過對沉積成形-固態(tài)相變過程的分析可以發(fā)現(xiàn)，熱循環(huán)通過瞬時加熱冷卻的方式對相變產(chǎn)生影響,，相變過程與工藝密切相關(guān),。

圖4 a溫度在線監(jiān)測曲線；b不同位置顯微組織的透射電鏡分析,；c沉積過程中,，溫度-時間和顯微組織對應(yīng)關(guān)系圖


圖5 逐層沉積過程中，晶粒,、晶間相和納米析出相隨沉積過程變化的機(jī)理圖

原位析出納米沉淀相的現(xiàn)象在其他增材制造鎂合金相關(guān)報道中也有涉及：在激光粉末床熔化（LPFF）工藝制備的WE43中發(fā)現(xiàn)了β1-Mg3Nd,，GZ112K中發(fā)現(xiàn)γ′，這些合金與本文成分差異較大,，可見析出相的種類與合金元素相關(guān),；而在LPBF-G10K中發(fā)現(xiàn)β1-Mg3Gd,，該成分與本文類似，可見析出相種類與工藝相關(guān),�,？梢灶A(yù)見，通過調(diào)控增材制造工藝參數(shù)和合金元素成分,，可以實(shí)現(xiàn)原位沉淀硬化效果的最大化進(jìn)一步提高增材制造專用鎂稀土合金的硬度和強(qiáng)度,。

本研究對Mg-Gd-Al-Zr合金在增材制造過程中的相變?nèi)�過程進(jìn)行了詳細(xì)研究，建立了LDED Mg-Gd合金的工藝參數(shù),、顯微組織和力學(xué)性能之間的關(guān)系,，為增材制造專用鎂稀土合金成分和工藝設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本研究對于研發(fā)新型增材制造專用鎂合金材料,，進(jìn)一步形成增材制造鎂合金構(gòu)件的控形控性方法具有重要的指導(dǎo)意義,，有望促進(jìn)增材制造高性能鎂稀土合金的開發(fā)和應(yīng)用。

*本文由作者團(tuán)隊(duì)涂煜璇博士撰稿,，感謝對本文的大力支持,。