上海交大采用電弧增材制造稀土鎂合金試樣實(shí)現(xiàn)卓越性能

來源：WAAM電弧增材 l

晶粒細(xì)化是通過快速冷卻速率實(shí)現(xiàn)的,，這有助于獲得更細(xì)小的晶粒，從而提高合金的強(qiáng)度,。位錯(cuò)堆積則是指在合金的沉積過程中形成的位錯(cuò)被積累在一起,，這些位錯(cuò)的存在有助于促進(jìn)稀土強(qiáng)化相的析出。在WAAM過程中,，由于高冷卻速率和循環(huán)熱應(yīng)力的作用,，合金內(nèi)部形成了大量的位錯(cuò)，這些位錯(cuò)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(jìn)了細(xì)小均勻的稀土強(qiáng)化相的高密度析出。

這些高密度析出的稀土強(qiáng)化相,，如β′相,，具有納米級尺寸，能夠有效地阻礙位錯(cuò)和孿晶的運(yùn)動,，從而顯著提高了合金的強(qiáng)度和抗蠕變性。這種強(qiáng)化機(jī)制在WAAM制備的合金中尤為明顯,，因?yàn)閃AAM技術(shù)特有的快速凝固過程有利于形成這種細(xì)小且均勻分布的強(qiáng)化相,。

近日,，上海交通大學(xué)輕合金研究所吳國華教授和童鑫助理研究員的研究團(tuán)隊(duì)在鎂合金領(lǐng)域取得了顯著的研究成果。他們重點(diǎn)研究了電弧熔絲增材制造（WAAM）技術(shù)制備的Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K) 合金的時(shí)效析出行為,，并將其與鑄造合金進(jìn)行了比較,。這項(xiàng)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(qiáng)度和延伸率，這主要?dú)w功于晶粒細(xì)化和位錯(cuò)堆積誘導(dǎo)的細(xì)小均勻的稀土強(qiáng)化相高密度析出,。

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


研究背景
高強(qiáng)鎂稀土（Mg-RE）合金,，如Mg-9Gd-3Y-0.5Zr（GW93K）合金，因其優(yōu)異的強(qiáng)度和抗蠕變性在航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,。時(shí)效強(qiáng)化是這類合金的主要強(qiáng)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(cuò)和孿晶運(yùn)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(gòu)件向大尺寸和復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)展，傳統(tǒng)的鑄造,、變形等方法已經(jīng)很難滿足要求,，而Mg-RE合金的增材制造（AM）開始受到關(guān)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(fù)雜構(gòu)件,。已有研究表明,，WAAM制備的Mg合金的強(qiáng)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(xué)輕合金研究所吳國華教授,、童鑫助理研究員團(tuán)隊(duì)同太原科技大學(xué)白培康教授、中北大學(xué)趙占勇副教授等團(tuán)隊(duì)在鎂合金領(lǐng)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(diǎn)研究了WAAM制造的 Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K) 合金的時(shí)效析出行為,，并將其與鑄造合金進(jìn)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(qiáng)化機(jī)制有了新的認(rèn)識,。

▲圖 1. 鑄態(tài)和沉積態(tài) GW93K 合金的微觀結(jié)構(gòu)特征：

（a,、d）光學(xué)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(jī)械性能：

（a）T4 處理合金的時(shí)效硬化曲線；（b）拉伸性能,；（c）拉伸強(qiáng)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(shí)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(nèi)嵌相應(yīng)的 FFT 圖,；

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

（a，d）欠失效,；（b,，e）峰值時(shí)效；

（c,，f）過時(shí)效,；

（g）和（h）分別是峰值時(shí)效和過時(shí)效下析出相的EDS圖譜

關(guān)鍵結(jié)論
這項(xiàng)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(jié)果表明,，WAAM 成形的合金具有更高的抗拉強(qiáng)度和伸長率,。通過比較兩組合金在峰值時(shí)效狀態(tài)下的組織結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)除了晶粒細(xì)化外,，沉積過程中形成的位錯(cuò)堆積誘導(dǎo)了細(xì)小均勻的稀土強(qiáng)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(shí)效狀態(tài)下的析出行為發(fā)現(xiàn),，在過時(shí)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。