導(dǎo)言：作為一種高效、低成本的增材制造技術(shù)，電弧定向能量沉積( DED )已逐步應(yīng)用于AZ系列和鎂稀土( Mg-RE )合金大構(gòu)件的制備。然而，眾所周知，AZ系鎂合金的強度較低，而Mg - RE合金的塑性較差。本文描述了一種新型的Mg - 4.4 Gd - 2.2 Y - 1.0 Zn - 0.5 Zr ( wt % )合金，該合金通過熱處理調(diào)控析出相具使其具有優(yōu)異的強度-塑性協(xié)同性(屈服強度157±1.15 MPa ,極限抗拉強度288± 2.52 MPa ,伸長率17.1±0.32 %)。此外，系統(tǒng)地揭示了電弧DED獨特的熱歷史和熱處理誘導(dǎo)析出相演變導(dǎo)致的梯度組織形成機制。固溶處理形成的致密層片狀長周期堆垛有序( LPSO )結(jié)構(gòu)和時效處理形成的大量納米β′相提高了合金的強度。增加的應(yīng)變硬化率和LPSO結(jié)構(gòu)的斷裂抑制沖擊共同作用提供了顯著的延展性。折彎變形的LPSO -結(jié)構(gòu)和特殊的納米尺度封閉體積構(gòu)型的共同作用，有效地緩解了應(yīng)力集中，抑制了裂紋擴展，是這種優(yōu)異的強度-延性協(xié)同作用的主要機制。本研究為絲材電弧制備高性能大尺寸鎂合金構(gòu)件的合金設(shè)計和析出相調(diào)控提供了新的思路DED。

隨著人類節(jié)能環(huán)保意識的逐漸增強，對輕質(zhì)高性能結(jié)構(gòu)材料的廣泛使用需求日益高漲。鎂合金作為21世紀(jì)的綠色工程結(jié)構(gòu)材料之一，具有密度低、比強度高、阻尼性能好等優(yōu)點，在汽車、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，鎂合金由于其特殊的六方晶體結(jié)構(gòu)，在室溫下表現(xiàn)出較差的塑性成形性能。采用傳統(tǒng)的鍛造、軋制和擠壓等方法制備具有復(fù)雜幾何形狀和優(yōu)異性能的大尺寸鎂合金構(gòu)件具有極大的挑戰(zhàn)性。因此，迫切需要探索替代工藝，如新興的增材制造( AM )技術(shù)，以改善鎂合金的組織和性能。

近年來關(guān)于鎂合金增材制造的研究方興未艾。迄今為止，激光粉末床熔融( L-PBF )、激光定向能量沉積( L-DED )和電弧定向能量沉積( wire-arc DED )是三種常用的鎂合金增材制造技術(shù)。雖然晶粒細(xì)化且強度較高鎂合金可以通過L - PBF技術(shù)實現(xiàn)，由于Mg元素的劇烈蒸發(fā)形成大量缺陷，導(dǎo)致低塑性。

Jiang et al . 和Zheng et al深入研究了合金成分和熱循環(huán)對L - DED制備Mg - Gd系合金組織演變和力學(xué)性能的影響。L - DED制備的Mg - Gd系合金強度可達(dá)250 MPa以上，但延伸率僅為2 %左右。此外，由于鎂合金粉末具有高爆炸性，在L - PBF和L - DED中都被用作原材料，因此安全性是未來工程應(yīng)用中不可回避的問題。相比之下，絲材-電弧DED利用絲材快速制備具有中等復(fù)雜幾何形狀和獨特微觀結(jié)構(gòu)的大尺寸構(gòu)件。對于Az系列通過電弧DED制備鎂合金，在抑制缺陷、改善組織和提高性能方面進(jìn)行了廣泛的研究。實際上，電弧DED制備的AZ系鎂合金的塑性已達(dá)到變形狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，但強度仍需進(jìn)一步提高。基面上析出的少量納米Mg17Al12相是AZ系鎂合金強度較低的主要原因。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，近年來一些研究者將目光重新投向了鎂稀土( Mg-RE )合金的絲-弧DED。特別地，Tong等人研究了原位熱處理對準(zhǔn)DED制備過程的影響WE43 ( Mg-4.15Y-2.13Nd-1.12Gd-0.55Zr)對微觀組織演變和力學(xué)性能的影響。Cao等采用超聲頻率脈沖電弧DED技術(shù)成功實現(xiàn)了GW63K ( Mg-5.82Gd-2.58Y-0.36Zr)合金的制備。此外，電弧DED制備的GW63K合金經(jīng)過熱處理后形成分散的納米級析出物，導(dǎo)致強度增加。值得注意的是，WE43和GW63K合金的強度均超過300 MPa，而延伸率則被限制在5 - 7 %范圍內(nèi)。Mg - RE合金的低塑性是因為致密的納米析出相阻礙了位錯的滑移。

在此，西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室黃科教授團(tuán)隊研究了通過調(diào)控析出相，利用電弧定向能量沉積Mg - Gd - Y - Zn - Zr合金優(yōu)異的強塑性協(xié)同作用。在這項研究中，通過使用定制的電弧DED成功地制造了具有單層多層特征的組件Mg - Gd - Y - Zn - Zr合金，借助先進(jìn)的表征技術(shù)，系統(tǒng)研究了固溶處理和時效處理對析出相、晶粒特征、拉伸性能和變形行為的影響。此外，還揭示了熱處理引起的微觀組織演變、強度提高和優(yōu)異的強塑性協(xié)同作用的詳細(xì)機制。為了給具有復(fù)雜幾何形狀的大尺寸鎂合金構(gòu)件的合金設(shè)計和析出相調(diào)控提供新的思路，本研究探索了一種具有優(yōu)異強塑性協(xié)同作用的GWZ系列鎂合金，并將其應(yīng)用于絲-弧DED技術(shù)。相關(guān)研究成果以題“On the excellent strength-ductility synergy of wire-arc directed energy deposited Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloy via manipulating precipitates ”發(fā)表在金屬頂刊Additive Manufacturing上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860423004074

 圖1 .

樣品的示意圖。( a )薄壁件的宏觀形貌及試樣的提取位置。( b )拉伸試樣尺寸。( c )微結(jié)構(gòu)表征樣品的尺寸。( d )斷裂拉伸試樣的TEM表征位置。采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(Inductively Coupled Plasma- Atomic Emission，ICP-AES )測量了焊絲和熔敷金屬的成分光譜學(xué)(礦質(zhì)無機營養(yǎng), NexION 350D)。如圖1a所示，采用直徑為1.2 mm、實際化學(xué)成分為Mg - 4.26 Gd - 2.06 Y - 1.18 Zn - 0.36 Zr ( wt % )的定制GWZ421K鎂合金作為填充焊絲，通過絲-弧DED系統(tǒng)制備薄壁構(gòu)件。基材為軋制態(tài)AZ31鎂合金板材，尺寸為160 mm × 160 mm × 30 mm。綜合考慮薄壁構(gòu)件的表面粗糙度、成形效率和工藝穩(wěn)定性，采用雙向沉積策略，送絲速度設(shè)置為4.5 m / min，行進(jìn)速度設(shè)置為0.4 m / min，電流為78 A，電壓為12.4 V。如圖1a所示，單道多層薄壁構(gòu)件的長度、高度、寬度和層數(shù)分別約為126 mm、84 mm、10 mm和28層。由于Mg和Zn元素的蒸發(fā)通量高于其他合金元素，沉積成分的實際化學(xué)成分變化為4.41 % Gd，2.19 % Y，0.95 % Zn和0.45 % Zr 。

圖2 .

確定熱處理工藝參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。( a )成型試樣的DSC曲線。( b ) T6態(tài)試樣的時效硬化曲線。由于Mg - Gd - Y - Zn - Zr合金具有顯著的固溶強化和時效硬化特性，因此對制備態(tài)試樣的固溶和時效處理參數(shù)進(jìn)行了研究。以10℃/ min的升溫速率進(jìn)行差示掃描量熱( DSC )分析，確定固溶處理的溫度。GWZ421K試樣的DSC曲線如圖2a所示，峰值溫度為527℃，表明共晶相在接近527 ℃的溫度下發(fā)生溶解，因此選擇530℃進(jìn)行1 ~ 14 h的固溶處理。根據(jù)殘余析出相數(shù)量和晶粒長大程度，確定了優(yōu)化的固溶時間。綜合后續(xù)實驗結(jié)果，確立最優(yōu)的溶液參數(shù)為溫度530℃，時間12 h。根據(jù)先前的研究結(jié)果，Mg - Gd - Y - Zn - Zr合金的理想時效溫度為200℃。因此，本研究中的樣品在上述最佳溶液參數(shù)處理后，在200℃下老化10 ~ 144 h。如圖2b所示，根據(jù)峰值顯微硬度發(fā)現(xiàn)最佳時效處理時間為96 h。為便于使用，將未經(jīng)熱處理的試樣定義為鑄態(tài)試樣，經(jīng)固溶處理和固溶+時效處理的試樣分別定義為T4和T6態(tài)試樣。

圖3 .

成形試樣的熔池形貌和金相組織。( a )底部區(qū)域熔池形貌。( a1 )的金相結(jié)構(gòu)。底部區(qū)域HAZ，( a2 ) MPB，( a3 ) MPC。( b )中間區(qū)域熔池形貌。中間區(qū)域( b1 ) HAZ，( b2 ) MPB，( b3 ) MPC的金相組織。( c )頂部區(qū)域熔池形貌。頂部區(qū)域( c1 ) HAZ，( c2 ) MPB，( c3 ) MPC的金相組織。絲-弧DED制備的GWZ421K合金的熔池形貌和金相組織如圖3所示。很明顯，金相組織呈層狀周期性圖案分布。如圖3( a、b、c)所示，底部和中部區(qū)域的熔池高度約為3 mm，頂部區(qū)域的熔池高度約為4.35 mm。這一現(xiàn)象可歸因于在后續(xù)層沉積過程中前一層的重熔，導(dǎo)致底部和中部區(qū)域的熔池高度降低了31 %。此外，各層的金相組織呈現(xiàn)梯度分布，即包括熱影響區(qū)( HAZ )、熔池邊界( MPB )和熔池中心( MPC )。根據(jù)后續(xù)的TEM和XRD結(jié)果，圖3中的金相組織主要由α - Mg和β - ( Mg、Zn)3( Gd , Y)共晶相組成。這些棒狀共晶相主要分布在晶界附近。顯然，HAZ中的共晶相含量相對較低MPB和MPC，可歸因于在后續(xù)層沉積過程中，由于在線固溶處理，共晶相溶解到基體中。熱影響區(qū)的高度可以通過OM圖像的亮度來測量，約為0.9 mm。雖然僅從OM圖像上很難清晰區(qū)分MPB和MPC，但這兩個區(qū)域的高度總和可以近似估計為2.1 mm。此外，如圖3( a1 , a2 , a3 , b1 , b2 , b3 , c1 , c2 , c3)所示，隨著沉積層的增加，這3個特征區(qū)域的金相組織幾乎保持一致。

圖4 .

樣品的TEM結(jié)果。( a )析出相的明場( BF )圖像。( b )長方體相的SAED花樣。( c ) β-( Mg、Zn)3 ( Gd，O )的SAED花樣。Y )。( d )典型析出相的EDS面掃描。( e )基面γ′相的BF圖像，( f )基面γ′相的高分辨TEM ( HRTEM )圖像和相應(yīng)的( g )基面γ′相的SAED圖像。TEM圖像沿[ 20 ] α區(qū)軸拍攝。圖4為制備態(tài)試樣中析出相的TEM表征結(jié)果。如圖4a - c所示，選區(qū)電子衍射( SAED )結(jié)果表明，微米尺度下的析出相為β - ( Mg、Zn)3( Gd , Y)，而亞微米尺度下的析出相為長方體相。SAED圖譜也表明這些β - ( Mg、Zn)3( Gd , Y)具有面心立方( fcc )結(jié)構(gòu)。圖4d的EDS面掃描結(jié)果表明，長方體相主要富集稀土元素根據(jù)前期研究[ 6 ]，長方體相極有可能是面心立方結(jié)構(gòu)的( Gd , Y)H2化合物。此外，如圖4e - g所示，在原始樣品中可以觀察到少量寬度約為1.5 nm的基面γ′相。此外，圖4 ( f , g)顯示，基面γ′相與α- Mg之間的位向關(guān)系為( 0001 ) γ′/ / ( 0001 )α - Mg和[ 20 ] γ′/ / [ 20 ]α-Mg [ 34 ]。

圖5 .

( a , c)和( b、d) T4試件橫截面的反極圖( IPF ) ( a , b)和極圖( c、d)。

圖6 .

( a )原始態(tài)和( b ) T4態(tài)樣品不同取向差角度的晶界分布圖。統(tǒng)計了( c )鑄態(tài)和( d ) T4態(tài)試樣的晶粒尺寸。( e )統(tǒng)計熔池不同區(qū)域的晶界特征。利用EBSD技術(shù)對鑄態(tài)和T4態(tài)試樣的晶體學(xué)取向、晶粒尺寸分布和晶界性能進(jìn)行了檢測，如圖所示。5和6 .可以從中發(fā)現(xiàn)圖5( a , b)和圖6( a , b)表明，在構(gòu)建和T4試樣呈現(xiàn)梯度分布。具體而言，如所示圖6c中，對于自生試樣，粗大晶粒( ~ 51 µ m)分布在HAZ，細(xì)化晶粒分布在MPB ( ~ 29 µ m)和 MPC ( ~ 30 µ m)。如圖6d所示當(dāng)進(jìn)行固溶處理時，晶粒會發(fā)生一定程度的長大，這可歸因于T4處理過程中高溫誘導(dǎo)的熱激活和高達(dá)98 %的HAGBs提供的高界面能促進(jìn)晶界遷移[ 35 ]。圖5( a , b)和圖6( a , b)表明MPB的高度約為400 µ m。由于圖3表明MPB和MPC的總高度為2.1 mm，因此MPC的高度約為1.7 mm。此外，As - Build和T4樣品表現(xiàn)出近隨機的晶粒取向，最大的均勻分布倍數(shù)( MUD )值約為2 - 4 (圖5c - d )，與區(qū)域無關(guān)。如圖6e所示取向差在2 ~ 15 °之間的小角度晶界( LAGBs )在原始態(tài)和T4態(tài)試樣中的含量都只有2 ~ 3 %左右。此外，取向差角大于45 °的大角度晶界( HAGBs )約占75 %。從統(tǒng)計結(jié)果圖6e可以推斷，固溶處理對絲材電弧的晶界性能幾乎沒有影響Ded -制備的Gwz421K合金。

圖7 .

( a )原始試樣，在530℃下固溶處理( b ) 6 h，( c ) 12 h和( d ) 14 h的SEM結(jié)果。圖7b和S1中的表征結(jié)果表明，在固溶初期，連續(xù)網(wǎng)狀的β - ( Mg、Zn)3( Gd , Y)轉(zhuǎn)變?yōu)殒湢畹?/span>X相。事實上，先前的研究表明，晶界附近的β - ( Mg、Zn)3( Gd , Y)有向X相轉(zhuǎn)變的趨勢，而晶粒內(nèi)部的β - ( Mg，Zn ) 3( Gd , Y)更容易轉(zhuǎn)變?yōu)閷悠瑺畹?/span>14H - LPSO結(jié)構(gòu)。

圖8 .

( a , a1 ~ a5)原始樣品、( b , b1 ~ b5)溶液在530℃下處理12 h ( S12樣品)的SEM圖像和相應(yīng)的EDS 映射的結(jié)果。( c , c1 ~ c5)溶液在530℃下處理12 h ( S12試樣)的高角角暗場( HAADF )圖像和相應(yīng)的EDS 映射的結(jié)果。8a和8b，可以注意到隨著固溶時間的延長，長方體相發(fā)生了一定程度的長大。長方體相的形成極大地影響了合金的力學(xué)性能，尤其是其延伸率，但長方體相的形成難以避免。

在本研究中，使用定制的MgGd - Y - Zn - Zr合金通過電弧DED成功制備了具有單道多層特征的零件。特別地，優(yōu)異的強度-塑性協(xié)同作用是通過熱處理調(diào)控析出相來實現(xiàn)的。此外，詳細(xì)揭示了析出相演變和強度提高的內(nèi)在機制，以及熱處理誘導(dǎo)的優(yōu)異強塑性協(xié)同作用。得出的主要結(jié)論如下：

（1）具有獨特的梯度分布的定制化微結(jié)構(gòu)GWZ421K構(gòu)件采用絲-弧DED技術(shù)制備。后續(xù)沉積層的在線熱處理負(fù)責(zé)晶粒長大，導(dǎo)致HAZ區(qū)域晶粒粗大。由于較高的冷卻速率和成分過冷度，在MPB區(qū)域獲得了細(xì)化的晶粒。

（2）通過調(diào)節(jié)固溶參數(shù)，鑄態(tài)試樣中連續(xù)網(wǎng)狀的微米β共晶相在T4試樣中轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ы绺浇募{米級X相和晶內(nèi)致密的LPSO結(jié)構(gòu)。此外，這些分散在晶界附近的納米β顆粒應(yīng)該是高溫固溶過程中晶粒生長受限的原因。通過調(diào)整時效參數(shù)，在T6態(tài)試樣中實現(xiàn)了致密納米β′相的析出。

（3）沿TD方向的T6樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的強度-塑性協(xié)同性，其UTS為288 ± 2.52 MPa，YS為157 ± 1.15 MPa，EL為17.1 ± 0.32 %，這與先前報道的大多數(shù)增材制造和傳統(tǒng)Mg - RE合金相當(dāng)甚至更高。這些致密的層片狀LPSO結(jié)構(gòu)和豐富的納米β′析出相應(yīng)該是YS增強的原因。強化貢獻(xiàn)主要來源于納米β′相( 41.1 % )。

（4）折彎變形的LPSO -結(jié)構(gòu)和納米級閉合體積對裂紋擴展的有效抑制應(yīng)該是T6試樣優(yōu)異的強塑性協(xié)同作用的原因。