北航增材顶刊：电弧熔丝增材制造各向同性高强稀土镁合金！

航空航天工业的跨越式发展对装备轻量化提出了迫切和严苛的要求。镁合金是目前工程应用中最轻的金属结构材料，稀土镁合金（Mg-RE）具有密度低、耐热性好、抗蠕变性能优良等特点，可用于运载火箭舱体、卫星支架、发动机机匣等部件，在航空航天轻量化领域具有重要的应用价值。然而，采用铸造或锻造等传统工艺制造稀土镁合金大型构件时存在制造周期较长，材料利用率偏低，塑性变形困难等问题，严重制约了Mg-RE合金的推广应用。增材制造以高能束为热源，通过熔化金属粉末或丝材进行逐层堆积的方法，可实现实体零件的直接制造，在生产效率及制造柔性上凸显技术优势。相比于以镁合金粉末为原料的激光粉末床熔化技术（LPBF），电弧定向能量沉积技术（Arc-DED，又称电弧增材制造）使用镁合金丝材，安全性显著提高且制造成本较低，正成为大尺寸镁合金构件高质量快速成形的可靠选择。但Arc-DED的高热输入以及熔池微区凝固过程中的高温度梯度，易于产生柱状晶主导的结构，同时伴随气孔缺陷和元素偏析的出现，最终导致成形构件性能的各向异性和强度的降低。

近期，北京航空航天大学机械工程及自动化学院高效焊接与增材制造研究团队与首都航天机械有限公司合作在增材制造领域权威期刊《Additive Manufacturing》上报道了有关电弧熔丝增材制造高强稀土镁合金的研究工作。该团队以自主研制的超音频脉冲方波电弧为热源，成功制备了具有细小均匀且随机取向的全等轴晶Mg-6Gd-3Y-0.5Zr（wt.%，GW63K）合金，热处理态增材构件表现出优于铸态的力学性能，并具有良好的各向同性。通过多尺度材料组织表征和热力学计算相图（CALPHAD）等方法，探究了增材制造非平衡凝固过程中多组元熔体的元素分配和组织演化行为，以及固溶+时效热处理过程中的相变行为，并揭示了微观组织对增材构件力学性能的影响。论文标题为“Excellent isotropic mechanical properties of directed energy deposited Mg-Gd-Y-Zr alloys via establishing homogeneous equiaxed grains embedded with dispersed nano-precipitation”。北航机械工程及自动化学院博士生曹千卉和博士后曾才有为论文共同一作，从保强教授为通讯作者。本研究工作得到了航天一院高校联合创新基金和中国博士后科学基金的大力支持，相关研究结果为我国航天轻量化结构快速响应制造提供了理论指导和技术支撑。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103498

研究发现，所制备的GW63K合金增材构件具有良好的成形质量和致密度。未观察到毫米级气孔，平均气孔直径6.6±2.5 μm，直径小于10 μm的气孔占比93 %，小于5 μm的气孔占比54 %。

图1. (a) 电弧增材GW63K镁合金构件宏观形貌及截面图；(b) 气孔三维分布状态; (c)-(e) 显微气孔的定量统计结果。

沉积态增材构件由均匀等轴晶组织构成，平均晶粒尺寸12 μm，并表现出较弱的织构强度。基体α-Mg晶界附近分布有共晶相Mg₂₄(Gd,Y)₅和稀土元素偏聚区（RE segregation）。采用Scheil模型对熔池金属非平衡凝固过程进行计算相图分析，结果表明：在快速冷却条件下Gd和Y元素具有较高的固相偏聚倾向，是导致元素偏聚显著的主要原因。沉积态构件水平方向抗拉强度232±9 MPa，屈服强度150±5 MPa，延伸率8.3±0.9 %；竖直方向抗拉强度237±7 MPa，屈服强度151±5 MPa，延伸率8.9±1.3 %。增材构件力学性能具有很好的各向同性。

经过固溶+时效热处理后，共晶相发生溶解并且晶界RE偏聚区消失。热处理导致晶粒发生长大，平均晶粒尺寸增长至30 μm，并有部分晶粒发生显著粗化。晶粒异常长大现象与高热稳定性稀土氢化物（Gd,Y）H₂和Zr颗粒的分布及其对晶界运动的钉扎作用有密切关系。时效引发高密度弥散分布的纳米β´析出相形成，进而导致合金硬度和室温拉伸强度显著提高。热处理态GW63K合金的抗拉强度提升至345±7 MPa，延伸率略微降低至5.2±0.8 %。所制备的稀土镁合金增材构件综合力学性能可优于相同成分铸态合金，并能与锻造态同牌号合金以及铸态高稀土含量镁合金相媲美。

图2. 不同状态α-Mg晶粒形貌、取向及尺寸：(a) 沉积态YOZ, XOZ 和XOY方向的晶粒形貌和织构状态；(b)-(f) 沿沉积方向沉积态及热处理态晶粒形貌及尺寸分布。

图3. (a)-(b) 沉积态SEM及EDS能谱；(c)-(d) 沉积态共晶相BF-TEM及SAED；(e)-(f) 热处理态晶内析出β´相形貌及衍射花样。

图4. (a) GW63K合金非平衡凝固相图；(b) 溶质平衡分配系数变化曲线；(c) 沉积态和热处理态力学性能；(d) 力学性能比较。

该研究还揭示了GW63K合金在电弧增材沉积过程及后续热处理过程中的显微组织演化和相变行为，对其强韧化机制进行定量分析，为电弧增材制造高性能稀土镁合金构件提供理论依据。

图5. 电弧增材制造及热处理过程中组织演化示意图。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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