上海交大吴国华教授团队：电弧增材制造镁稀土合金

2022-08-17 13:52:53 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

近日，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心吴国华教授团队在镁稀土合金电弧增材制造方面取得重要研究进展，研究成果以“An investigation into wire arc additive manufacturing of Mg-Y-RE-Zr alloy”为题，发表在金属材料学术期刊《Materials Letters》上。硕士生王岐蔓为第一作者，吴国华教授和童鑫博士为共同通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金的资助。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167577X22012757

Mg-Y-RE-Zr系列合金具有密度低、耐热性好、抗蠕变性能优良等特点，被广泛用于航空发动机机匣、卫星支架等部件，在航空航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景。采用铸造或者锻造等传统工艺制造镁稀土合金大型复杂构件时，制造周期较长、材料利用率低、易产生成形缺陷，限制了该系列合金在关键领域的进一步应用。增材制造是一种利用激光或电弧等作为热源，通过熔化合金粉末或丝材，在程序控制下逐层堆积出金属零件的先进制造技术。当前，镁稀土合金增材制造的研究主要集中在激光粉末床熔化（LPBF）方面，由于LPBF的冷却速度极快，沉积层晶粒尺寸能低至数微米。但由于Y元素与氧较强的亲和性以及合金粉末较高的比表面积，LPBF制备的Mg-Y-RE合金中通常会存在严重的Y2O3夹杂，恶化了制件的力学性能。因此，亟需针对高活性Mg-Y-RE合金展开其他增材制造工艺的探索。

在该研究中，吴国华教授团队创新地采用了电弧熔丝增材制造（WAAM）技术实现了Mg-4Y-3RE-0.5Zr合金的制备，并首次报道了电弧熔丝增材镁稀土合金的组织不均匀性及其形成机制。研究表明，由于交流电弧独特的阴极清理效应以及合金丝材较低的比表面积，WAAM工艺所制备的镁稀土合金中并未发现明显的氧化夹杂缺陷。另一方面，相比较于LPBF工艺而言，WAAM较大的热输入使得熔池的冷却速度较小，能有效降低合金凝固时的收缩应力，抑制裂纹萌生。

本研究通过对沉积层不同高度的显微组织进行表征，揭示了Mg-Y-RE-Zr合金在电弧熔丝增材制造过程中的组织演变机制。实验结果表明，随着沉积高度的不断提高，沉积层的冷却速度逐渐降低，导致了沉积层晶粒尺寸沿高度方向逐渐粗化。此外，电弧加热导致的多重热循环会对已沉积层形成“原位固溶”和“原位时效”的效果。沉积层底部的共晶组织在多重热循环的作用下首先发生溶解，随后稀土元素又在多重热循环的作用下下沉淀析出，在晶界和晶内形成了弥散分布的β’和β1相。沉积层顶端组织主要由粗大的α-Mg枝晶和连续粗大的共晶组织组成，并未发现稀土沉淀相的存在。由于WAAM工艺制备的Mg-Y-RE-Zr合金中存在明显的组织不均匀性，其在沉积高度方向上的力学性能也存在显著差异。该研究首次报道了镁稀土合金电弧熔丝增材的相关研究，为高性能镁稀土合金的增材制造技术开辟了新视野。

近年来，在丁文江院士的大力支持下，吴国华教授团队一直在镁稀土合金材料开发及其成形技术领域展开深入研究并取得了一系列原创性科研成果，为镁稀土合金在航空航天领域的推广应用提供了有力支撑。