導(dǎo)讀：增材制造制備的Mg-RE合金通常表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，這主要?dú)w因于其晶粒的細(xì)化。由于Mg-RE系列是典型的時效硬化合金，本研究重點研究了絲弧增材制造Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K)合金的時效行為，并將其與鑄態(tài)合金進(jìn)行了比較，為增材制造合金的強(qiáng)化機(jī)理提供了新的認(rèn)識。結(jié)果表明，細(xì)化的等軸α-Mg晶粒和具有極高密度(~ 2.53 × 104?m?2)的小尺寸(僅5 ~ 10 nm) β′相是合金的強(qiáng)化機(jī)制。在多次熱循環(huán)下形成的位錯堆積和沉積過程中的高冷卻速率有利于促進(jìn)析出行為。結(jié)果表明，峰時效態(tài)沉積合金的綜合性能較鑄態(tài)合金提高19%和18%，UTS=392 MPa, EL=3.3%。

Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K)合金作為稀土含量相對較高的高強(qiáng)鎂稀土(Mg-RE)合金的代表之一，因其優(yōu)異的強(qiáng)度和抗蠕變性能被廣泛應(yīng)用于航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域。時效強(qiáng)化是Mg-RE合金的主要強(qiáng)化方法之一，因為形成的納米級β′棱柱相(晶格參數(shù)為a≈0.64 nm, b≈2.22 nm, c≈0.52 nm的基心正交結(jié)構(gòu))可以有效地阻止基位錯和孿晶的移動。Mg-Gd-Y合金中析出強(qiáng)化相的順序為:SSSS(過飽和固溶體)→β″→β′→β1→β。在不同的時效處理下，這些析出物可能單獨(dú)存在，也可能組合存在，從而產(chǎn)生不同的強(qiáng)化作用。

到目前為止，對高稀土含量Mg-Gd-Y-Zr合金的研究主要集中在鑄造方法上。隨著航空航天零部件向大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，Mg-RE合金的增材制造(AM)開始受到關(guān)注。與基于粉末的工藝(如激光粉末床熔融，LPBF)相比，基于線材的增材制造(如線材電弧增材制造，WAAM)具有較少的氧化物夾雜物和孔隙缺陷的優(yōu)點。此外，WAAM具有較高的沉積效率，更適用于制造大型復(fù)雜部件。由于WAAM也是通過一層一層的凝固進(jìn)行的，以前的研究通常將WAAMed Mg-RE合金的性能與鑄造樣品進(jìn)行比較。

有報道稱，WAAM法制備的鎂合金強(qiáng)度和塑性均高于鑄造樣品。WAAM制備的Mg-6Gd-3Y-0.5Zr合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到237 MPa和8.9%，比鑄態(tài)合金提高11.8%和43.5%[17]。Tong等人[14]也成功地使用WAAM系統(tǒng)制造了WE43合金。在底層觀察到細(xì)小的等軸的晶粒，平均尺寸僅為12.5?m。該合金的力學(xué)性能為UTS= 271±13 MPa, YS = 199±12 MPa, EL = 8.1±0.9%，超過了常規(guī)制備和PBF-LB合金的強(qiáng)度-塑性組合。大多數(shù)研究人員簡單地將WAAMed樣品較高的力學(xué)性能歸因于快速冷卻獲得的更細(xì)的晶粒。Mg-RE合金是典型的時效硬化合金，析出強(qiáng)化是時效強(qiáng)化的主要因素，尤其是含重稀土的Mg-RE合金。然而，WAAMed Mg-RE合金的析出行為目前尚未得到關(guān)注。增材制造Mg-RE合金的析出行為值得關(guān)注，特別是增材制造Mg-RE合金與鑄態(tài)合金的析出行為差異。

基于以上事實，上海交通大學(xué)吳國華教授團(tuán)隊采用WAAM法制備了GW93K合金。作為對比研究，采用鑄造法制備了另一組GW93K合金。本研究系統(tǒng)地研究了WAAMed試樣在時效過程中的析出行為，重點研究了WAAMed與鑄態(tài)試樣在峰時效狀態(tài)下析出相的差異。相信本研究可以為Mg-RE合金在增材制造中的強(qiáng)化機(jī)理提供一些新的見解。

相關(guān)研究成果以“Exceptional mechanical properties of wire arc additive manufactured Mg-9Gd-3Y-0.5Zr alloy induced by promoted precipitation behavior”發(fā)表在 Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221395672400063X?via%3Dihub 

表1. WAAMed GW93K的處理參數(shù)

表2. 用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)測定了填充棒和沉積態(tài)GW93K合金的化學(xué)成分(wt.%)

圖1所示。鑄造態(tài)和沉積態(tài)GW93K合金的顯微組織特征:(a、d)光學(xué)顯微圖和(b、e) SEM顯微圖，(c、f)上述SEM顯微圖對應(yīng)的能譜圖。

圖2所示。(a) T4處理前后GW93K合金沉積態(tài)和鑄態(tài)的XRD譜圖;(b)相應(yīng)的SEM顯微圖

圖3所示。鑄造態(tài)和沉積態(tài)GW93K合金的EBSD結(jié)果:(a, d)晶粒形貌;(b, e) KAM地圖;(c, f)不同取向角下的GBs分布。(g)和(h)為不同合金中不同取向角的gb的頻率(%)

圖4所示。GW93K合金力學(xué)性能:(a) t4處理合金的時效硬化曲線;(b)拉伸性能;(c)與其他鑄造合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率的比較

圖5所示。不同方法制備的GW93K合金的峰時效TEM結(jié)果:(a)鑄造態(tài)和沉積態(tài)合金的HAADF-STEM圖像和插入SAED圖案。(c)沉積合金中析出相的HRTEM圖像;(d) (c)中方形區(qū)域的放大視圖，并插入相應(yīng)的FFT模式;(e)相應(yīng)的GPA圖

表3。在Orowan方程中使用的參數(shù)的含義和值 

圖6所示。不同時效階段GW93K合金的TEM圖像:(a, d)欠時效;(b, e)峰值老化;(c, f)過度老化;(g)和(h)分別為時效峰態(tài)和過時效態(tài)析出相對應(yīng)的元素掃描圖;

圖7所示。鑄造態(tài)和沉積態(tài)GW93K合金的析出行為簡圖

本文系統(tǒng)地比較了鑄造成形和WAAM成形GW93K合金的差異。結(jié)果表明，WAAM成形的合金具有良好的抗拉強(qiáng)度和延伸率。通過對比兩組合金在峰時效狀態(tài)下的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)除了晶粒細(xì)化外，位錯堆積引起的高度促進(jìn)析出行為是WAAM試樣具有優(yōu)異性能的主要原因。研究了沉積合金在不同時效狀態(tài)下的析出行為，發(fā)現(xiàn)在過時效狀態(tài)下，在兩個原始β′顆粒的交界處形成了新的析出物β M。