西安交通大学黄科课题组 l 超声辅助电弧熔丝增材制造协同提升镁合金的强塑性

节能和可持续的发展对结构材料提出了轻质和高性能的需求，其中轻量化镁合金具有密度低、阻尼性能好、比强度高等优异性能，近年来镁合金的学术研究和工程应用日益受到重视。然而，采用传统的制造工艺很难一体化成形出形状复杂、性能优异的大尺寸镁合金构件，这极大地限制了镁合金领域的发展前景。因此，有必要探索替代方法，如成本低且效率高的电弧增材制造技术，以促进镁合金的广泛应用和快速发展。

然而，大多数已报道的研究仍然局限于工艺参数和热处理的优化对缺陷、显微组织和力学性能的影响。AZ31镁合金作为一种高性价比的材料，在电弧增材制造工艺中面临着两大难题：一方面由于合金元素的饱和蒸汽压高、沸点低，极易蒸发形成大量缺陷；另一方面电弧增材制造固有的高温梯度和多次热循环通常会导致大尺寸柱状晶的连续长大，从而导致各向异性。然而，到目前为止，还没有有效的方法来抑制缺陷，定制组织，提高线弧增材制造镁合金的性能。

西安交通大学黄科课题组通过超声辅助电弧熔丝增材制造协同提升了镁合金的强塑性，相关研究以“Enhanced strength-ductility synergy of magnesium alloy fabricated by ultrasound assisted directed energy deposition”为题，发表在Journal of Materials Science&Technology期刊。本期谷.专栏将对这项研究进行简要分享。

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▲论文链接：

https://www.jmst.org//attached/file/20240618/20240618085931_784.pdf

全文概要

课题组在电弧熔丝增材制造AZ31镁合金的过程中施加高能超声，促进了缺陷在线逃逸，实现了柱状晶向等轴晶的转变，并引入了大量小角晶界和位错，从而大幅提升了薄壁构件的力学性能，为电弧增材制造镁合金的组织、性能改善提供了新途径。

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研究亮点

1. 电弧增材制造AZ31镁合金过程中引入高能超声场有助于强度和塑性的协同改善。

2. 该复合制造工艺有效降低了镁合金构件中的孔隙率，并实现了晶粒等轴化和细化。

3. 阐明了超声场引起的致密化、组织演变、晶体缺陷增加和性能增强的关键原理。

电弧增材制造AZ31镁合金 通过电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）技术，可以制造出具有高性能的AZ31镁合金薄壁结构件，其微观组织、力学性能和腐蚀性能均显示出与传统制造方法相当的或更优的性能。 研究表明，通过优化工艺参数，如调整脉冲频率，可以实现晶粒细化，从而提高材料的力学性能。此外，冷金属过渡（Cold Metal Transfer, CMT）电弧熔丝增材制造技术也被用于AZ31镁合金的制造，通过控制输入能量密度，可以改善微观组织并调控力学性能。

图文解析

图1 三维重建的XCT图像显示了As-built(a)、UA60和UA90样品（c）的缺陷分布。缺陷的等效直径与球度的关系（d）、等效直径（e）和球度（f）。

图2. As-built(a1-a3),UA60(b1-b3)和UA90样品（c1-c3）的底部、中间和顶部区域的光学显微照片。

图3. As-built(a)、UA60（b）和UA90样品（c）的截面的EBSD取向图、错向角图、KAM分布（e）。

图4. As-built(a-c)和UA90（d-f）样品的扫描电镜和能谱图。

图5.As-built、UA60和UA90样品的拉伸性能。工程拉应力-应变曲线（a）,YS、UTS、EL统计数据（b）,真应变-应变硬化速率曲线（c）,该材料的拉伸性能与先前报道的进行比较（d）。

图6. 断裂后As-built(a-c)和UA90试样（d-f）的TEM 结果。

图7.缺陷演变机理的示意图。

图8. 增材制造过程的凝固图（a）。As-built和UA样品的成分过冷区（b）。As-built(c)和UA样品（d）固液界面附近晶粒形核和生长示意图。

图9.As-built(a-c)和UA90试样（d-f）在单轴拉伸过程中的变形亚结构演变、空洞形核和裂纹扩展示意图。

总结与展望

（1）超声引起的致密化可归因于空化效应和声流引起的激波和微射流加剧了熔体的有序流动，有利于缺陷的逃逸。

（2）引入超声导致冷却速率加快、温度梯度降低，并提供了大量额外的形核位点，这是导致晶粒等轴化和细化的主要原因。枝晶的塑性变形和局部温度的升高分别是位错密度和小角晶界增加的原因。由于熔体流动的增强和元素分布的更均匀，使得析出相呈弥散分布。

（3）与未施加超声的样品相比，施加90 W超声样品的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别显著提升了~30%、~45%和~189%。细化晶粒、丰富的小角晶界和高密度位错是屈服强度增加的主要原因。

（4）强塑性协同提升的主要作用机制是缺陷减少、等轴晶粒细化、析出相分散良好和晶体缺陷增加的共同作用，从而有效地缓解应力集中和延迟空洞形核。

l 来源：

论文引用信息：

X.Z. Li, X.W. Fang, M.G. Zhang, B.L.Wang, K. Huang, Enhanced strength-ductility synergy of magnesium alloy fabricated by ultrasound assisted directed energy deposition, J. Mater. Sci. Technol. 178 (2023) 247–61.

第一作者：李新志

通讯作者：黄科

通讯单位：西安交通大学机械工程学院

DOI: 10.1016/j.jmst.2023.09.021

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