增材制造新突破 WA-DED助力高性能镁合金研发

摘要：本研究考察了WA-DED制备的GWZ1031K合金在热处理前后的力学性能和微观结构演变。详细讨论了不同强化机制对GWZ1031K合金室温拉伸性能的影响。经过500 ℃×1 h + 200 ℃×72 h热处理后，合金表现出（263 ± 5）MPa的出色屈服强度。

导读

本研究考察了WA-DED制备的GWZ1031K合金在热处理前后的力学性能和微观结构演变。详细讨论了不同强化机制对GWZ1031K合金室温拉伸性能的影响。经过500 ℃×1 h + 200 ℃×72 h热处理后，合金表现出（263 ± 5）MPa的出色屈服强度。该结果有助于优化制造工艺参数，并为高性能镁合金部件的大规模生产提供关键技术支持。

镁（Mg）合金作为21世纪的绿色工程结构材料之一，因其低密度、高强度比和良好的阻尼性能等优异特性，在汽车、航空航天和航空领域有广泛的应用前景。稀土（RE）元素可以显著提高镁合金的强度和耐热性。在Mg-RE合金中，Mg-Gd-Y系列合金因其由Gd和Y元素提供的显著沉淀强化而备受关注。加入Zn元素可以促进LPSO相的形成，从而提高基面滑移的临界分切应力（CRSS），并激活非基面滑移，同时提高强度和塑性。此外，稀土元素的加入还可以细化晶粒。

传统的镁合金成形方法已无法满足复杂大型镁合金零件的整体成型要求，因此迫切需要新方法来制造复杂的镁合金零件。激光粉末床熔融（LPBF）、激光定向能量沉积（LDED）和线弧增材制造（WAAM）是目前最受欢迎的金属增材制（AM）造技术。与LPBF和LDED制造方法相比，线弧定向能量沉积（WA-DED）因其较高的沉积率和较低的设备成本而备受推崇，特别适合快速原型制作和大型结构件的高效生产。

近日，太原科技大学白培康教授团队联合中北大学赵占勇教授团队采用WA-DED构建薄壁结构GWZ1031K合金组件，研究其显微组织、力学特性和热处理后的相变行为。相关工作以题为“Investigation of microstructure and mechanical properties of GWZ1031K alloy additively manufactured by cold metal transfer-based wire-arc directed energy deposition”发表于期刊《Journal of Alloys and Compounds》。

经过固溶处理后，晶界的(Mg, Zn)3(Gd, Y)共晶相转变为14H-LPSO相，而富稀土立方相仍然存在。这些第二相在晶界处有助于阻碍晶粒生长并保持细晶形态。固溶处理后的试样塑性明显改善。时效处理后，14H-LPSO相和富稀土颗粒相保持稳定且无晶粒粗化。在基体中引入高密度纳米级β′相产生了显著的沉淀强化效果。

沉积态试样具有平均晶粒尺寸为（11.1 ± 5.1）µm的不均匀等轴晶粒结构，主要由α-Mg基体、(Mg, Zn)3(Gd, Y)相和稀土颗粒相组成，其在TD方向的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为（260 ± 5）MPa、（195 ± 3）MPa和（6.27 ± 1.39）%。抗拉强度来源于晶粒细化强化。经过固溶处理后，固溶强化和LPSO相强化提高了合金的力学性能。固溶处理后，TD方向的伸长率增加至（13.46 ± 0.27）%和（9.62 ± 0.68）%。随后的时效处理通过颗粒剪切显著提高了强度，TD和BD方向的抗拉强度和屈服强度分别为（343±5）MPa、（252±5）MPa和（342±10）MPa和（263±5.7）MPa。