中美联合顶刊丨新型主动冷却优化电弧增材制造镁合金的微观结构和强度
01研究背景冷金属转移（CMT）-电弧增材制造（WAAM）已被广泛用于生产大型镁合金部件。然而，CMT-WAAM 工艺固有的热循环和热输入会对稀土（RE）镁合金的微观结构和性能产生不利影响。目前，还缺乏有效、低成本且易于实施的方法来缓解这些问题。重庆大学、北京科技大学、德克萨斯大学联合在工程技术领域顶刊Thin-Walled Structures上发表了题为 "Optimizing microstructure and strength of CMT-wire arc additive manufactured WE43 Mg alloy through a novel active cooling technique" 的研究成果。在这项研究中，提出了一种主动冷却技术（ACT），包括基底冷却和旁路冷却。ACT通过在基板和旁路板中不间断的水流实现CMT-WAAMed WE43组件的原位冷却，具有成本效益高、安全性高和实施方便的优点。02论文图片图 1. WAAM 工艺示意图：（a）CMT-WAAM 设备；（b-c）薄壁元件尺寸和沉积策略图 2. 实验材料和方法：（a）AC/WC 组件的沉积条件；（b）ACT 装置；（c）取样几何形状；（d-e）取样位置和组件形态图 3. WC 和 AC 组件的扫描电镜结果：(a-b) AC 组件的微观结构；(c) (b) 的 SEM-EDS 分析；(d-e) WC 组件的微观结构；(f) (e) 的 SEM-EDS 分析图4. WC和AC组件中三个相的能谱分析结果：(a) 共晶相的SEM图像；(b) 对点1进行SEM-能谱分析；(c) 图a中Mg、Gd、Y和Gd以及Nd的SEM-能谱映射；(d) 颗粒相的SEM图像；(e) 对点2进行SEM-能谱分析；(f) 图d中Mg、Gd、Zr和Nd的SEM-能谱映射；(g) 絮状相的SEM图像；(h) 对点3进行SEM-能谱分析；(i) 图i中Mg、Zr、Y和O的SEM-能谱映射图 5. AC 和 WC 组件第二相的体积分数：(a-c）AC 组件底部、中部和顶部区域的SEM图像；（d-f）WC 组件底部、中部和顶部区域的SEM图像；（g）AC/WC 组件中颗粒相的体积分数；（h）AC/WC 组件中颗粒相的体积分数图 6. AC 和 WC组件的 EBSD 分析：(a) AC 组件在整层中的晶粒取向；(b) AC 组件在整层中的晶粒尺寸分布图；(c) WC 组件在整层中的晶粒取向；(d) WC 组件的晶粒尺寸分布图；(e) WC 和 AC 组件的平均晶粒尺寸；(f) AC/WC 组件的极点图图 7. AC 组件（a）顶部、（b）中部和（c）底部区域的层内 EBSD 图像；（d）WC 组件顶部、（e）中部和（f）底部区域的层内 EBSD 图像；（g）AC 组件中晶粒尺寸的频率分布；（h）AC 组件中晶粒尺寸的频率分布图8. AC和WC组件层内的TEM分析：(a-b) 沿[11-0]方向拍摄的TEM图像；(c) WC组件中的β1相和 (d) β相；(e-g) 沿[11-0]方向拍摄的AC组件层内的TEM图像；(h) (g)的EDS图像图 9. WC/AC 组件夹层的 TEM 分析：(a-b）AC组件夹层的 TEM 图像；（c-d）WC 组件夹层的 TEM 图像；（d-e）WC/AC 组件夹层中的 Y2O3图10. AC和WC组件的性能图 11. 用扫描电镜观察拉伸样品纵切面上的断口形态和拉伸断口形态：（a-f）AC 组件；（g-i）WC 组件图12. 沉积过程中通过热电偶测量的两个组件的温度变化：(a) 组件底部；(b) 组件中部；(c) 在相同的层间等待时间条件下两个组件的层间温度；(d) 在第12层沉积路径中热电偶测量的温度变化图 13. CMT-WAAM 过程中，AC/WC 组件的微观结构随层沉积而演变的示意图03关键结论在这项研究中，提出了一种包含基底冷却和旁路冷却的主动冷却技术（ACT）。对采用CMT-WAAM工艺有无辅助ACT装置制备的WE43薄壁组件的微观结构和性能进行了比较研究。以下是主要结论：（1）ACT提高了金属的冷却速率，减少了组件上的热积累，并降低了热循环中的峰值温度。基底冷却和旁路冷却对冷却效果都有显著贡献。（2）ACT带来的更高冷却速率减少了硬而脆的共晶相的体积分数，与AC组件相比，WC组件的平均晶粒尺寸更小。WC组件中熔池温度较低降低了Zr的溶解度。因此，WC组件中Zr颗粒相的体积分数多于AC组件。同时，ACT使WC组件的微观结构更加均匀。（3）WC组件中沉淀的相主要是β1相，由于AC组件中的原位时效，转变为β相。AC和WC组件的层间与层内相比，热影响较小，因此只在层间区域发现了少量的β'相。（4）WC组件在DD方向上的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为263±2 MPa、182±4 MPa和9.5 ± 1%，而在BD方向上分别为267±4 MPa、180±6 MPa和11.2 ± 1%。与AC组件相比，WC组件的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别提高了11.7%、5.8%和72.3%。抗拉强度的提高主要与更小的晶粒和更细小的β1相有关，而塑性的提高主要是由于硬而脆的共晶相体积分数的减少。04通讯作者李坤，男，博士，重庆大学机械与运载工程学院“弘深青年学者”特聘专家，博士生导师，海外引进人才；高性能智能增材制造实验室（HπAM）主任，金属增材制造（3D打印）重庆市重点实验室常务副主任，重庆大学绿色智能制造研究所副所长。2011年获吉林大学材料科学与工程学科工学学士学位；2016年获清华大学机械工程学科工学博士学位；2017年2月赴美国德州大学埃尔帕索分校从事博士后研究工作，并担任Lawrence E. Murr（美国增材制造先驱）和R.D.K. Misra课题组博士生联合指导老师；2019年4月任美国匹兹堡大学机械工程及材料科学系高级研究员教职；2020年8月被聘为重庆大学教授、博士生导师，从事教学科研工作。主要从事3D打印及增材制造、高性能材料及智能加工等研究。先后主持国家自然基金及联合基金、国家重点研发计划、全国重点实验室青年人才项目、美国能源部国际合作项目等多项课题。在AM、Small、JMST、JMPT、MSEA、MD等领域著名期刊和会议上发表论文80余篇。担任机械工程学会极端制造委员会/增材制造委员会委员、有色金属学会增材制造技术专业委员会委员，国家重点研发计划会评专家。工作期间开发了多种镍基合金，稀土镁合金、超高强钢激光增材及3D打印工艺及在线检测技术，用于高端装备关键组件制造及修复。科研成果荣获美国休斯敦航天局技术应用奖（年度唯一华人青年学者）、美国德州大学年度研究员奖等。任Acta Materialia、IJMTM、Materials Research Letters、International Journal of Plasticity等领域著名期刊评审人。
