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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研究背景
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！
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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
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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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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。
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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.
