為了克服鎂合金塑性成型差的問題，該研究采用增材制造技術以提供一種靈活度高的大型鎂合金部件制備方法。電弧熔絲增材制造技術（wire and arc additive manufacturing， WAAM）具有相對成本低、沉積效率高和自由的成形空間等優(yōu)勢，因此被研究人員選為鎂合金增材制造的方法。研究人員對比了WAAM工藝和傳統(tǒng)鑄造Mg-Al合金，發(fā)現(xiàn)WAAM處理的鎂鋁合金具有等軸晶主導的微觀結構，同時顯示出機械性能和阻尼能力的增強。

隨著現(xiàn)代航空航天和軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，迫切需要兼顧力學性能和阻尼能力的輕量化工程材料。用這種結構-功能一體化材料制成的部件可以同時實現(xiàn)減重和減振，有利于實現(xiàn)裝備的高機動性和高精度。鎂（Mg）合金作為最輕且阻尼性能較好的金屬結構材料，近年來在這些領域受到越來越多的關注。然而，六方密排(HCP)晶體結構的有限滑移系統(tǒng)導致鎂合金的鍛造成形性較差。因此，目前鎂合金部件主要采用鑄造法制造。鑄造鎂合金可靠性低、力學性能差，極大地限制了其應用領域。因此，迫切需要通過新的制造技術拓寬鎂合金構件的應用空間。

國內(nèi)頂級材料期刊《Journal of Materials Science & Technology》在近期刊出了由重慶大學和西北工業(yè)大學等單位聯(lián)合發(fā)表的關于鎂鋁合金增材制造的最新研究文章“Solidification microstructure evolution and its correlations with mechanical properties and damping capacities of Mg-Al-based alloy fabricated using wire and arc additive manufacturing”。

近年來，以激光束、電子束、電弧等高能束流為熱源的金屬增材制造已成為短流程、高靈活度和高效率制造高性能金屬部件的重要手段。這為高性能鎂合金部件的制造提供了一條新途徑。目前，鎂合金增材制造的相關研究工作主要集中在激光粉末床熔化（LPBF）和電弧熔絲增材制造（WAAM）工藝上。LPBF工藝適用于中小型復雜部件的制備。然而，LPBF工藝過程中鎂合金的可制造性相當差。一方面，低密度（~1.7g/cm3）鎂合金粉末的流動性差限制了粉末床的質量；另一方面，由于Mg元素的低沸點（~1093°C）和高飽和蒸氣壓，在LPBF過程中容易產(chǎn)生嚴重的蒸發(fā)煙霧，影響粉末床的穩(wěn)定性和激光能量。這限制了LPBF加工的鎂合金的冶金質量，導致拉伸延展性差(~3%)。此外，由于鎂合金粉末的易燃易爆特性，LPBF工藝過程中存在嚴重的安全隱患。相比之下，WAAM采用線材作為原料，可以有效解決LPBF工藝所面臨的上述問題。此外，WAAM工藝相對較低的成本、較高的沉積效率和自由的成形空間使其成為制造大型鎂合金部件的有前途的方法。

目前，WAAM加工鎂合金的研究主要集中在AZ31、AZ61、AZ80M、AZ91等Mg-Al基合金（AZ系列）；使用的WAAM工藝主要基于鎢極氣體保護焊(GTAW)和冷金屬過渡焊(CMT)。通常，由于熔池凝固過程中的高溫梯度，在金屬材料的WAAM加工過程中會獲得柱狀晶為主的結構。有趣的是，在WAAM處理的Mg-Al基合金中可以很容易地獲得等軸晶為主的結構。對于WAAM處理的Mg-Al基合金，熔池凝固過程中晶粒形態(tài)的選擇取決于凝固控制參數(shù)，如合金成分、溫度梯度和凝固速度。然而，WAAM處理的Mg-Al基合金在熔池凝固過程中形成等軸晶主導的晶粒結構的潛在機制仍有待定量闡明，這對于實現(xiàn)精確控制具有重要意義。

盡管屈服強度(YS)相對較低，但WAAM處理的具有等軸晶主導結構的鎂鋁基合金的極限抗拉強度(UTS)和斷裂伸長率與鍛造鎂-鋁基合金相當。例如，WAAM處理的具有等軸晶主導結構的AZ31鎂合金可以達到221-263MPa和21.0-27.3%的抗拉強度，與變形AZ31鎂合金相當；但YS僅為79-104MPa，約為變形AZ31鎂合金的一半。對于具有HCP晶體結構的鎂基合金，室溫下基底滑移的臨界分解剪切應力(CRSS)遠低于非基底滑移；因此基礎滑動是最簡單的滑動模式。因此，鎂基合金的力學性能和阻尼能力都與基底織構的特征密切相關。除位錯滑移外，孿生是低晶體對稱性鎂基合金的另一種重要變形方式，孿生方式與晶粒取向和晶粒尺寸密切相關。然而，WAAM處理的Mg-Al基合金的凝固微觀結構特征、滑移和孿晶模式以及機械性能/阻尼能力之間的潛在關系仍缺乏系統(tǒng)研究。

圖 (a) WAAM-GTAW過程示意圖；(b) 薄壁部件的圖像；(c) 取樣位置示意圖；(d) 拉伸和阻尼試樣的圖像

因此，該工作首先旨在闡明WAAM處理的Mg-Al基合金凝固微觀結構與凝固控制參數(shù)之間的定量關系；然后，進一步系統(tǒng)地闡明了凝固微觀結構對滑移和纏繞模式、力學性能和阻尼能力的影響。該研究以WAAM-GTAW處理的AZ31鎂合金為研究對象。其中一項重要發(fā)現(xiàn)是，與熔池的非平衡凝固條件相關的基底織構弱化和微觀結構細化賦予WAAM-GTAW處理的AZ31鎂合金具有良好的機械性能和阻尼能力的組合。這項工作為進一步定制WAAM加工的鎂鋁基合金的微觀結構和性能提供了理論支持，并證明了WAAM工藝是制造結構功能一體化鎂合金部件的一種有前途的方法。來源增材制造碩博聯(lián)盟。

論文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.10.019