上交大吴国华教授团队丨电弧熔丝增材制造镁稀土合金取得重要研究进展

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摘要：该工作报告了通过增材制造(AM)工艺生产的Mg-Y-RE-Zr合金的最高屈服强度和伸长率。采用大直径焊丝和脉冲电流相结合的方法抑制了准DED-Arc制备的WE43合金的氧化，并讨论了不同层间的强化机理。基于实测热循环数据和显微组织观察，提出了描述准DED-Arc过程中微观结构转变的物理模型，旨在探索DED-Arc制备Mg-Y-RE-Zr合金的潜力。

Mg-Y-RE-Zr合金具有许多低密度，高比强度，良好的抗蠕变和耐腐蚀性等优良性能，在航空航天轻量化领域具有广阔的应用前景。其在高温下表现出优异的力学性能，因此被用于制造极端温度条件下使用的重要部件。然而，随着对复杂结构和更高性能的要求越来越高，通过铸造和锻造等传统制造方法难以满足要求。

增材制造(AM)可以生产更轻质、设计自由度更大、形状更复杂的定制金属部件。当前Mg-RE合金增材制造的相关研究主要集中在激光粉末床熔融（PBF-LB）方面，然而由于稀土元素化学活性较强，且合金粉末比表面积较大，采PBF-LB制备Mg-RE合金时极易形成稀土氧化夹杂，严重恶化构件的力学性能。因此，亟需针对高活性Mg-RE合金展开增材制造相关研究，探明Mg-RE合金在增材制造过程中的组织演变及缺陷形成的相关机制。

与激光相比，电弧熔丝增材制造（DED-Arc）具有更高的热输入和更高的沉积速率，因此冷却速率和温度梯度都较小，这对降低裂纹有积极作用。因此，DED-Arc是制备缺陷较少的Mg-Y-RE-Zr合金的潜在候选材料。迄今，对DED-Arc Mg-RE合金的研究鲜有报道。

基于此，上海交通大学吴国华教授团队与皇家墨尔本理工大学的Mark A. Easton教授、上海理工大学的孙明博士合作于期刊《Additive Manufacturing》发表了题为 “Microstructural evolution and strengthening mechanism of Mg-Y-RE-Zr alloy fabricated by quasi-directed energy deposition” 的文章。采用GTAW工艺制备了单道次多层组分WE43合金，对成形后的WE43合金沿沉积方向进行表征，评价其组织和力学性能的均匀性，并对其强化机理进行了深入探讨。

WE43合金中Y2O3夹杂物的含量仅为PBF-LB合金的2%~5%，孔隙率(0.001% ~0.01%)也远低于PBF-LB合金。随着沉积高度的增加，多重热循环(MTC)基体的峰值温度(Tp)从450 ℃逐渐降低到250 ℃，引起的不同的冷却速率和原位热处理导致晶粒尺寸、析出相和共晶沿构筑方向不均匀分布，这是导致力学性能变化的原因。

与顶层观察到的体积分数最高的连续共晶相(8.92%)相比，由于热累积引起的原位时效效应导致底层在晶界和晶内分别分布着大量球状Mg12RE和板状Mg3RE。

由于在制造过程中发生的固有热处理，WE43合金表现出优异的综合力学性能，其抗拉强度为（271±13）MPa, 屈服强度为（199±12）MPa, 伸长率为（8.1±0.9）%，超过了铸态WE43合金的强-塑性组合。在第8层获得的最佳性能是由于原位热处理引起的最优析出强化，合金产生的细晶粒尺寸对强度也有显著贡献。