導讀：增材制造制備的Mg-RE合金通常表現出優異的力學性能，這主要歸因于其晶粒的細化。由于Mg-RE系列是典型的時效硬化合金，本研究重點研究了絲弧增材制造Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K)合金的時效行為，并將其與鑄態合金進行了比較，為增材制造合金的強化機理提供了新的認識。結果表明，細化的等軸α-Mg晶粒和具有極高密度(~ 2.53 × 104?m?2)的小尺寸(僅5 ~ 10 nm) β′相是合金的強化機制。在多次熱循環下形成的位錯堆積和沉積過程中的高冷卻速率有利于促進析出行為。結果表明，峰時效態沉積合金的綜合性能較鑄態合金提高19%和18%，UTS=392 MPa, EL=3.3%。

Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K)合金作為稀土含量相對較高的高強鎂稀土(Mg-RE)合金的代表之一，因其優異的強度和抗蠕變性能被廣泛應用于航空航天等關鍵領域。時效強化是Mg-RE合金的主要強化方法之一，因為形成的納米級β′棱柱相(晶格參數為a≈0.64 nm, b≈2.22 nm, c≈0.52 nm的基心正交結構)可以有效地阻止基位錯和孿晶的移動。Mg-Gd-Y合金中析出強化相的順序為:SSSS(過飽和固溶體)→β″→β′→β1→β。在不同的時效處理下，這些析出物可能單獨存在，也可能組合存在，從而產生不同的強化作用。

到目前為止，對高稀土含量Mg-Gd-Y-Zr合金的研究主要集中在鑄造方法上。隨著航空航天零部件向大尺寸、復雜結構的不斷發展，Mg-RE合金的增材制造(AM)開始受到關注。與基于粉末的工藝(如激光粉末床熔融，LPBF)相比，基于線材的增材制造(如線材電弧增材制造，WAAM)具有較少的氧化物夾雜物和孔隙缺陷的優點。此外，WAAM具有較高的沉積效率，更適用于制造大型復雜部件。由于WAAM也是通過一層一層的凝固進行的，以前的研究通常將WAAMed Mg-RE合金的性能與鑄造樣品進行比較。

有報道稱，WAAM法制備的鎂合金強度和塑性均高于鑄造樣品。WAAM制備的Mg-6Gd-3Y-0.5Zr合金的抗拉強度和伸長率分別達到237 MPa和8.9%，比鑄態合金提高11.8%和43.5%[17]。Tong等人[14]也成功地使用WAAM系統制造了WE43合金。在底層觀察到細小的等軸的晶粒，平均尺寸僅為12.5?m。該合金的力學性能為UTS= 271±13 MPa, YS = 199±12 MPa, EL = 8.1±0.9%，超過了常規制備和PBF-LB合金的強度-塑性組合。大多數研究人員簡單地將WAAMed樣品較高的力學性能歸因于快速冷卻獲得的更細的晶粒。Mg-RE合金是典型的時效硬化合金，析出強化是時效強化的主要因素，尤其是含重稀土的Mg-RE合金。然而，WAAMed Mg-RE合金的析出行為目前尚未得到關注。增材制造Mg-RE合金的析出行為值得關注，特別是增材制造Mg-RE合金與鑄態合金的析出行為差異。

基于以上事實，上海交通大學吳國華教授團隊采用WAAM法制備了GW93K合金。作為對比研究，采用鑄造法制備了另一組GW93K合金。本研究系統地研究了WAAMed試樣在時效過程中的析出行為，重點研究了WAAMed與鑄態試樣在峰時效狀態下析出相的差異。相信本研究可以為Mg-RE合金在增材制造中的強化機理提供一些新的見解。

相關研究成果以“Exceptional mechanical properties of wire arc additive manufactured Mg-9Gd-3Y-0.5Zr alloy induced by promoted precipitation behavior”發表在 Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221395672400063X?via%3Dihub 

表1. WAAMed GW93K的處理參數

表2. 用電感耦合等離子體原子發射光譜(ICP-AES)測定了填充棒和沉積態GW93K合金的化學成分(wt.%)

圖1所示。鑄造態和沉積態GW93K合金的顯微組織特征:(a、d)光學顯微圖和(b、e) SEM顯微圖，(c、f)上述SEM顯微圖對應的能譜圖。

圖2所示。(a) T4處理前后GW93K合金沉積態和鑄態的XRD譜圖;(b)相應的SEM顯微圖

圖3所示。鑄造態和沉積態GW93K合金的EBSD結果:(a, d)晶粒形貌;(b, e) KAM地圖;(c, f)不同取向角下的GBs分布。(g)和(h)為不同合金中不同取向角的gb的頻率(%)

圖4所示。GW93K合金力學性能:(a) t4處理合金的時效硬化曲線;(b)拉伸性能;(c)與其他鑄造合金的抗拉強度和伸長率的比較

圖5所示。不同方法制備的GW93K合金的峰時效TEM結果:(a)鑄造態和沉積態合金的HAADF-STEM圖像和插入SAED圖案。(c)沉積合金中析出相的HRTEM圖像;(d) (c)中方形區域的放大視圖，并插入相應的FFT模式;(e)相應的GPA圖

表3。在Orowan方程中使用的參數的含義和值 

圖6所示。不同時效階段GW93K合金的TEM圖像:(a, d)欠時效;(b, e)峰值老化;(c, f)過度老化;(g)和(h)分別為時效峰態和過時效態析出相對應的元素掃描圖;

圖7所示。鑄造態和沉積態GW93K合金的析出行為簡圖

本文系統地比較了鑄造成形和WAAM成形GW93K合金的差異。結果表明，WAAM成形的合金具有良好的抗拉強度和延伸率。通過對比兩組合金在峰時效狀態下的表現，發現除了晶粒細化外，位錯堆積引起的高度促進析出行為是WAAM試樣具有優異性能的主要原因。研究了沉積合金在不同時效狀態下的析出行為，發現在過時效狀態下，在兩個原始β′顆粒的交界處形成了新的析出物β M。