西工大林鑫顶刊丨热处理对电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zr合金微观结构和机械性能的影响研究_ACT_Mechanical_Additive_断裂_化学_航空_航天_冶金_汽车_增材

西工大林鑫顶刊丨热处理对电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zr合金微观结构和机械性能的影响研究

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No.1

研究背景

镁合金作为一种轻质高比强度和比刚度的金属材料，在航空航天和交通运输等领域具有巨大的应用潜力，被视为铝合金的替代材料。然而，镁合金的广泛应用受到其化学活性高、易氧化、耐腐蚀性差以及高温下机械性能较差等因素的限制。为了提高镁合金的机械性能，研究人员开发了许多新型的镁稀土（Mg-RE）合金，如Mg-Gd-Y基和Mg-Nd基合金。其中 Mg-Gd-Y 基合金因优异的比强度和耐高温性尤其适用于航空航天、军事和汽车领域。传统的镁合金加工技术存在工艺复杂、材料利用率低和制造成本高等问题。而增材制造（AM）技术，特别是电弧增材制造（WAAM）工艺，以其高沉积速率和加工灵活性，为制造大型和复杂的镁合金部件提供了新的可能性，有助于提高生产效率和降低成本。

目前对WAAM制造镁合金的研究主要集中在 Mg-Al 基合金，对Mg-R合金关注较少，已有研究报道了WAAM制造高性能Mg-R合金的工艺特性、宏观微观结构和力学性能，但已研究的WAAM制造的Mg-Gd-Y-Zr 合金虽强度高但塑性差。WAAM过程中的热循环和高冷却速率会产生高残余应力导致频繁的位错堆积，为实现强度和延展性的协同优化，需要深入研究WAAM制造的 Mg-Gd-Y-Zr 合金中第二相的溶解和沉淀行为，并通过高温和短时热处理保持细晶和高密度沉淀。

近日，西北工业大学林鑫教授团队在工程技术领域顶刊Virtual and Physical Prototyping上发表了题为"Effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of Mg-Gd-Y-Zr alloys fabricated by wire arc additive manufacturing"的研究成果。本研究基于先前研究，采用 CMT-WAAM 的 CMT 高级模式制造 Mg-9.54Gd-1.82Y-0.44Zr 合金部件，研究其宏观形态和微观结构，进行短时高温固溶处理以溶解共晶相，再进行峰值时效处理以获得高密度强化相，分析共晶相的溶解行为和新相的沉淀行为，研究热处理对WAAM GW92 合金微观结构和力学性能的影响并阐明其强化机制。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

No.2

论文图片

图 1. (a) (b) CMT-WAAM 制造的 GW92 合金沉积物宏观形态和横截面；(c) 不同测试样品的选择位置示意图；(d) 拉伸样品的尺寸

图 2. WAAM制造 GW92 合金的 DSC 曲线

图 3. WAAM制造 GW92 合金的熔池形态和金相组织：(a) 宏观组织形态；(b)∼(d) HAZ 和 FZ 的微观组织

图 4. WAAM制造 GW92 合金在(a)XOY、(b) XOZ 和 (c) YOZ 平面上的反极点图 (IPF)、晶粒尺寸分布和极点图

图 5. WAAM制造 GW92 合金的SEM 图像和相应的 EDS 结果：(a) 和 (b) SEM 图像；(c) 和 (f) 点 1 和点 2 的 EDS 结果；(d) SEM 和 (e) EDS 图谱结果

图 6. WAAM制造 GW92 合金的 TEM 结果：(a) 明场 (BF) 图像；(b) 基质的 SAED 图样；(c) 沿 [20]α 区轴线拍摄的 HR-TEM 图像；(d) (a) 的高角度环形暗场 (HAADF) 和(e) EDS 图谱结果；(f) 纳米沉淀物的 EDS 结果；(g) 立方体相的 HAADF 和 EDS 结果

图7. WAAM制造 GW92合金的微观结构：(a)原始状态，(b)-(c)430°C固溶处理，(d)-(f)525°C固溶处理，(g)-(i)530°C固溶处理

图 8. WAAM制造 GW92 合金在(a) 原状和(b)∼(d) 525°C 固溶处理 20∼30 min下的 OM 图像

图 9. 经固溶处理（525°C，25 min）的 GW92 合金在 225°C 时效温度下的时效硬化曲线

图 10. 经（a1-a3）固溶处理（525°C 25 min）和（b1-b3）固溶+时效处理（525°C 25 min + 225°C 12 h）的WAAM制造 GW92 合金的 SEM 图像、IPF 和晶粒尺寸分布情况

图 11. WAAM制造 GW92 合金在 T4 条件下（525°C 25 min）的 TEM 结果：（a）晶粒内部；（b）晶界周围；（c）和（f）晶界析出物的 EDS 图谱；（d）晶界析出物的 HR-TEM 图像和（e）FFT 图样

图 12. WAAM制造 GW92 合金在T6 条件下（525°C 25 min + 225°C 12 h）的TEM 结果： (a) 基体的 TEM 图像和 (b) SAED 图样（沿 [20]α 区轴拍摄）；(c) 纳米沉淀物的 HR-TEM 图像和 FFT；(d) 纳米沉淀物的 HAADF 图像、(e) EDS 结果和 (f) 尺寸分布；(g) 立方体相的 HAADF 图像、SAED 图样和 EDS 图谱结果

图 13. (a) WAAM制造 GW92 合金在不同状态下的拉伸工程应力-应变曲线，(b) 采用不同典型制造工艺制造的Mg-Gd-Y-Zr 合金的拉伸性能比较

图 14. WAAM制造 GW92 合金在(a) 原状、(b) WAAM-T4 和(c) WAAM-T6 条件下的断裂形态和断面图

图 15. WAAM制造 GW92 合金在热处理过程中的微观结构演变示意图

图 16. WAAM制造 GW92 合金中不同样品的 α-Mg 基体中溶质元素的含量：（a）原样，（b）WAAM-T4，（c）WAAM-T6

图 17. YS 对 WAAM制造 GW92 合金的强化作用

No.3

关键结论

在本文中，通过CMT-WAAM工艺形成了单道多层GW92合金样品。研究了WAAM制造的GW92合金的宏观形貌、微观结构和力学性能。进行了短期高温固溶处理和峰值时效处理，以分析共晶相的溶解行为和纳米沉淀相的析出行为。主要结论如下：

(1)打印态GW92合金的微观结构由细小的等轴α-Mg晶粒组成，平均尺寸约为17µm，共晶相、β″相、立方相和Zr颗粒。打印态样品的屈服强度（YS）、抗拉强度（UTS）和延伸率（EL）分别为146±3MPa、253±2MPa和8.7±2.1%。

(2)在525°C下进行的短期高温固溶处理25分钟显著减少了共晶相的含量，同时在很大程度上保留了原始细小晶粒（约20µm），导致延伸率显著增加（12.5±0.3%），而强度略有下降。

(3)WAAM-T4 GW92合金在225°C下进行了12小时的峰值时效处理，以实现高密度纳米β'沉淀。WAAM-T6样品的YS为235±3MPa，UTS为360±7MPa，EL为10.8±1.7%。与打印态GW92合金相比，WAAM-T6样品的YS和UTS分别增加了61%和42%。

(4)WAAM制造的GW92合金经过短期高温固溶和时效处理，保持了细小晶粒（约20µm）和高密度纳米β'相（板状纵横比为2.5），从而实现了优异的强度-延展性协同效应（UTS为360±7MPa，EL为10.8±1.7%）。

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No.4

通讯作者

林鑫，西北工业大学教授，材料学院副院长，金属高性能增材制造与创新设计工业和信息化部重点实验室主任，陕西省重点科技创新团队“高性能金属构件激光3D打印技术创新团队”带头人。入选国家“万人计划”科技创新领军人才，科技部中青年科技创新领军人才，教育部“新世纪优秀人才支持计划”入选者，陕西省“特支计划”科技创新领军人才，陕西省中青年科技创新领军人才，英国皇家学会“Newton Fellowship”。目前担任国家新材料产业发展战略咨询委员会学术委员，中国热处理学会高能密度热处理技术委员会副主任，全国增材制造标准化技术委员会委员，中国材料研究学会凝固科学与技术分会常务理事，中国机械工程学会增材制造技术分会委员，中国机械工程学会特种加工分会增材制造技术委员会委员。主持包括主持国家重点研发计划项目、973、863、国家自然科学基金等20余项国家和省部级科研项目。在Acta Mater., Addit. Manuf.等国内外材料、冶金及机械领域学术期刊发表SCI论文300余篇，SCI他引2000余次。合作出版专著/编著3部。授权国家发明专利20余项，并获中国专利优秀奖一项。获陕西省科学技术一等奖两项，中国高校自然科学二等奖一项。

No.5

论文引用

Wenzhe Yang, Haiou Yang, Kuitong Yang and Xin Lin. Effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of Mg-Gd-Y-Zr alloys fabricated by wire arc additive manufacturing: Virtual and Physical Prototyping 19 (2024) - Issue 1.

https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2386592

来源：增材制造硕博联盟

哈工大黄陆军顶刊丨激光调控细化晶粒，实现Haynes230在激光粉末床熔化过程的裂纹抑制

点击关注·聚焦3D打印技术👆 Haynes 230 作为一种固溶强化型镍基高温合金，具有优异的高温性能和组织稳定性。使用激光粉末床技术（LPBF）成形Haynes 230零部件可以实现复杂结构近净成形，但材料内部容易产生微裂纹缺陷，严重限制了材料性能的发挥。为了减少LPBF成形Haynes 230 中的微裂纹密度，本文通过逐步降低能量密度，旨在抑制裂纹产生。论文主要亮点：（1）通过调整激光功率和扫描速度，降低能量密度，实现了晶粒显著细化，抑制了开裂行为，力学性能显著提高。（2）结合组织表征和温度场模拟计算，揭示了高能量密度下的裂纹形成机理与低能量密度下的裂纹抑制机制。论文研究方法：实验方法：采用粒径为15−53μm，成分为21.84Cr-13.74W-0.45Al-0.07C-1.97Co-1.79Fe-0.032La-0.45Mn-2.67Mo-0.0027N-0.015O-bal. Ni (wt.%)的Haynes 230 合金粉末，采用光栅往复式扫描策略，每层旋转67°，层厚30μm，激光功率变化范围为135W-105W，扫描速度变化范围为650mm/s−750mm/s，对应能量密度变化范围为31.81J/mm^3−47.20J/mm^3。数值模拟方法：使用ANSYS workbench 的瞬态温度场模块对成形过程中的热行为进行分析，采用高斯体热源加热，相变过程中产生的相变潜热使用等效比热容表示。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！结果分析与讨论：随着能量密度降低，裂纹数量显著下降，未融合孔洞数量增加。图1 不同能量密度下，Haynes 230 中裂纹分布情况随着能量密度依次降低，柱状晶的外延生长特性减弱，柱状晶区域减小，细小不规则等轴晶面积增加。同时，试样的平均晶粒尺寸减小，当能量密度为47.40J/mm^3时，其平均尺寸27.86μm，而当能量密度降低至34.84J/mm^3时，其平均尺寸降低为 14.66μm，发生了显著的晶粒细化。图2 Haynes 230在不同能量输入下的EBSD分析：(a)Haynes 230水平剖面和纵剖面的IPF着色图；(b) 晶粒尺寸分布和 (c)在不同能量密度下拟合晶粒分布的长径比；(d) 平均裂纹密度、晶粒尺寸和长径比随能量密度的降低而减小图3 高能量密度（a）和低能量密度（b）下晶粒生长和开裂行为的示意图相对于高能量密度输入（a），低能量密度（b）下的熔池尺寸更小，冷却速度和温度梯度更大，造成晶粒细化与等轴化，使得凝固后期枝晶间的热应力更小，液膜长度更小，晶间合并时间缩短，从而有效抑制裂纹。关注我们, 万物皆可3D打印主要结论： 1.随着能量密度从47.40J/mm^3降低到31.81J/mm^3，晶粒细化，裂纹从4.33mm/mm^2抑制到0.23mm/mm^2。在能量密度为37.34J/mm^3时，样品的Rm、Rp0.2和At分别达到943MPa、678MPa和19.2%。2.晶界偏析和晶界取向差影响了裂纹的形成。C和碳化物形成元素（Cr和Mo等）在晶界处的偏析增加了凝固温度区间，纳米碳化物阻碍了液相的回填，大角晶界更容易产生凝固裂纹。3.冷却速率和温度梯度的增加减少了液膜的存在时间和长度，从而抑制裂纹。此外，晶粒尺寸的减小使热应力均匀化，减轻了成分偏析。通过调整激光能量输入，可以实现打印过程中裂纹抑制，避免对合金成分进行改性，保证了打印态Haynes 230 的力学性能，有助于工程上对激光参数进行优化，同时可以为同类打印态合金裂纹的抑制提供思路。来源：增材制造硕博联盟