增材制造在實現復雜結構金屬構件成形和性能調控方面具有卓越優勢。絲材電弧定向能量沉積(Wire arc-directed energy deposition，WADED)作為增材制造技術之一，具有沉積效率高、可實現大尺寸構件集成制造等優點。由其制備的WADED Al-Mg合金構件在航空航天工業中具有重要應用潛力。與其他增材制造方法相比，WADED具有冷卻速度相對較慢、溫度梯度較低的特點。同時，WADED逐層沉積過程中的動態熱循環也會導致原位析出行為。前期研究發現，Sc/Zr微合金化促進Al₃(Sc, Zr)相的析出，可明顯提高Al-Mg合金力學性能。考慮到鋁合金中的析出相特征(大小和分布)與其腐蝕行為密切相關，因此，針對動態熱循環作用下的原位析出行為對WADED Al-Mg-(Sc-Zr)腐蝕行為影響開展研究，可為航空航天WADED高性能鋁合金的力學性能和耐久性研究提供支持。

基于此，北京航空航天大學機械工程及自動化學院齊鉑金教授團隊通過絲材電弧定向能量沉積技術制備WADED Al-Mg(-Sc-Zr)薄壁件。結合有限元溫度場模擬，對電弧增材過程中動態熱循環引起的原位析出行為開展研究。通過材料表征、電化學測試等手段對原位析出行為引起的微觀組織、腐蝕行為進行深入分析。研究發現，WADED Al-Mg微觀組織均勻，晶粒粗大等軸。WADED Al-Mg-Sc-Zr在熔池邊界(Molten pool boundary, MPB)和層間區(Inter-layer zone, ITZ)表現出細小的等軸晶粒，而熔池內部表現出粗等軸晶粒。原位析出導致初生Al₃(Sc, Zr)沿熔池邊界和層間聚集，在熔池內部存在少量次生Al₃(Sc, Zr)。相較于WADED Al-Mg構件，WADED Al-Mg-Sc-Zr電化學腐蝕行為有所改善。WADED Al-Mg在彌散分布的β-Al₃Mg₂處出現點蝕，WADED Al-Mg-Sc-Zr中沿熔池邊界和層間聚集Al₃(Sc, Zr)引起電偶腐蝕，造成分層腐蝕特征。WADED Al-Mg-Sc-Zr的腐蝕各向異性明顯，這是因為較多的熔池邊界和層間使XOZ平面容易發生腐蝕。

相關研究成果以“Influence of in-situ precipitation on corrosion behaviors of wire arc directed energy deposited Al-Mg(-Sc-Zr)”為題發表在國際材料頂級期刊Journal of Materials Science & Technology（IF=11.2，中科院一區Top）。北航機械工程及自動化學院齊鉑金教授與祁澤武助理教授為通訊作者，博士生周豫斌為第一作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.025

圖1 WADED Al-Mg(-Sc-Zr)合金制備及實驗取樣

WADED Al-Mg XOZ和YOZ面均表現出由粗等軸晶粒組成的均勻微觀組織。WADED Al-Mg-Sc-Zr組織表現出明顯的分層特征，層間區(ITZ)存在細小等軸晶，層中區(INZ)粗、細等軸晶交替出現。在WADED Al-Mg-Sc-Zr合金中，熔池邊界MPBs明顯可見，沿MPBs分布著細小的等軸晶粒，熔池內部存在著粗等軸晶粒。WADED Al-Mg-Sc-Zr XOZ面比YOZ面具有更多的異質結構邊界(ITZ和MPB）。

圖2 WADED Al-Mg (a) XOZ面與(b) YOZ面; Al-Mg-Sc-Zr (c) XOZ面與(d) YOZ面EBSD結果

在WADED Al-Mg構件中，粗大的β-Al₃Mg₂沿粗等軸晶粒的GBs分布。大部分Al₆(Mn, Fe)在晶粒內隨機分布，少部分位于晶界。由于Sc/Zr引入后的細化晶粒效果，WADED Al-Mg-Sc-Zr中β-Al₃Mg₂在晶界處的聚集被削弱。在凝固過程中，Al₃(Sc, Zr)顆粒聚集在沿熔池邊界及層間的細小等軸晶粒處。

圖3 WADED Al-Mg (a) XOZ面和(b) YOZ面; Al-Mg-Sc-Zr (c) XOZ面和(d) YOZ面SEM結果

WADED Al-Mg-Sc-Zr中的初生Al₃(Sc, Zr)顆粒在凝固過程中提供了有效的非均相形核位點，提高了形核速率。由于高熱穩定性，初生Al₃(Sc, Zr)顆粒也在重熔過程中作為形核位點。因此，沿熔池邊界和層間的細小等軸晶區呈現初生Al₃(Sc, Zr)顆粒聚集的現象，其平均半徑為73±54 nm。在粗等軸晶區域的細小析出相為次生Al₃(Sc, Zr)，其平均尺寸為18±7 nm，這是由于后續沉積過程的熱循環導致熔池內的Sc/Zr過飽和區析出次生Al₃(Sc, Zr)。此外，次生Al₃(Sc, Zr)的分布特征導致沿粗等軸晶粒的晶界形成無析出區(precipitation free zone, PFZ)。

圖4 WADED Al-Mg-Sc-Zr TEM結果：(a₁)-(a₅) 初生Al₃(Sc, Zr)分布特征, (b₁)-(b₅) 次生Al₃(Sc, Zr)分布特征

電化學測試結果顯示，相比于WADED Al-Mg，WADED Al-Mg-Sc-Zr呈現出更快的開路電位(OCP)增長速度、更高的OCP終值、更大的阻抗環半徑，以及較小的腐蝕電流。對于WADED Al-Mg(-Sc-Zr)組件，YOZ平面比XOZ平面具有更快的OCP上升速度、更高的低頻模量，以及較小的腐蝕電流，表現出較好的耐腐蝕性。

圖5 3.5 wt. % NaCl 電化學測試結果(a) (b)開路電位；(c)Nyquist圖(d) Bode圖

圖6 3.5 wt. % NaCl 溶液中的動電位極化曲線WADED Al-Mg (a) XOZ (b) YOZ;Al-Mg-Sc-Zr (c) XOZ (d) YOZ

在3.5 wt. % NaCl中浸泡24小時后的WADED Al-Mg合金中點蝕坑隨機分布。與WADED Al-Mg XOZ面相比，YOZ面上的點蝕深度略小。對于WADED Al-Mg-Sc-Zr構件，XOZ面腐蝕蝕點主要沿熔池邊界MPB和層間ITZ區域發生，而YOZ面腐蝕蝕點集中在ITZ區域。點蝕坑統計擬合結果顯示WADED Al-Mg-Sc-Zr中點蝕坑水平方向擴展速率均大于深度方向擴展速率。

圖7 點蝕坑三維形貌WADED Al-Mg (a₁) (a₂) XOZ 與(b₁) (b₂) YOZ; Al-Mg-Sc-Zr (c₁) (c₂) XOZ 與(d₁) (d₂) YOZ

圖8 點蝕坑統計結果WADED Al-Mg (a) XOZ與(b) YOZ; Al-Mg-Sc-Zr (c) XOZ與(d) YOZ

在WADED Al-Mg中，β-Al₃Mg₂作為基體的陽極相，與基體發生電偶腐蝕產生點蝕坑。腐蝕后β-Al₃Mg₂的剝落是點蝕坑形成的主要原因。WADED中的Al₆(Mn, Fe)作為基體的微陽極相，也傾向于優先溶解，但少量的Al₆(Mn, Fe)僅作為腐蝕特征位點，不主導腐蝕行為。WADED Al-Mg-Sc-Zr中點蝕坑在XOZ面沿熔池邊界MPBs和層間區域ITZ聚集，在YOZ面沿層間ITZ聚集，點蝕傾向于出現在粗大Al₃(Sc, Zr)顆粒附近，WADED Al-Mg-Sc-Zr合金的點蝕尺寸小于Al-Mg合金。

圖9 腐蝕形貌WADED Al-Mg (a₁)-(a₃) XOZ與(b₁)-(b₃) YOZ; Al-Mg-Sc-Zr (c₁)-(c₃) XOZ與(d₁)-(d₃) YOZ

圖10 腐蝕形貌WADED Al-Mg (a)XOZ與(b) YOZ; Al-Mg-Sc-Zr (c) XOZ與(d) YOZ.

通過有限元法分析沉積過程中的動態熱循環對Al₃(Sc, Zr)原位析出行為的影響發現，WADED過程的熱循環可分為兩類：I型，峰值溫度明顯超過Al₃(Sc, Zr)溶解溫度(T_P)，持續時間相對較長。這種類型導致高熔點Al₃(Sc, Zr)完全溶解；II型，峰值溫度與T_P相當或低于T_P，持續時間短。這種類型是影響析出相尺寸的關鍵因素。在II型熱循環作用下，析出相逐漸長大，II型熱循環次數越多的區域，析出相尺寸越大。溫度場模擬顯示，當前沉積層熔池中，靠近熔池中心的點（1-9）經歷了I型熱循環。靠近熔池邊界MPB的10點和11點經歷了II型熱循環，導致Al₃(Sc, Zr)優先沿熔池邊界MPB成核析出。液體溫度（T_L）和固體溫度（T_S）之間的區域可以推斷為糊狀區。糊狀區的12 ~ 13點經歷了典型的II型熱循環。這導致層間區ITZ比層中INZ區域表現出更大的Al₃(Sc, Zr)尺寸。與YOZ平面相比，XOZ平面呈現出更大的糊狀區，包括熔池邊界MPB和重熔層間ITZ區。因此，在XOZ平面上，粗大初生Al₃(Sc, Zr)在熔池邊界MPB和層間ITZ區域出現，而在YOZ平面上，只有ITZ區出現初生Al₃(Sc, Zr)聚集。在隨后的沉積過程中，熱循環發生了從I型向II型的轉變，導致沿熔池邊界MPB和層間ITZ區域的初生Al₃(Sc, Zr)進一步粗化，次生Al₃(Sc, Zr)在熔池內形核。動態熱循環最終導致較大尺寸的初生Al₃(Sc, Zr)沿熔池邊界MPB和層間區域ITZ聚集，而較小尺寸的次生Al₃(Sc, Zr)在熔池內部彌散分布。沿MPB和ITZ聚集的粗大初生Al₃(Sc, Zr)與基體的電偶腐蝕作用導致了分層腐蝕特征。

圖11 有限元模擬結果WADED Al-Mg-Sc-Zr (a) XOZ (b) YOZ面溫度場; (c) 沉積層首次熱循環特征; (d) 標記點位隨后10次熱循環特征; (e)-(g)沿X, Y, Z 方向的溫度梯度

WADED Al-Mg-Sc-Zr的腐蝕各向異性較為明顯，可歸因于XOZ面表現出較多的層間區域ITZ和熔池邊界MPB，這些位置發生的Al₃(Sc, Zr)聚集更容易受到腐蝕。YOZ面Al₃(Sc, Zr)聚集區較少(只有ITZ)，耐蝕性較好。

圖12 WADED Al-Mg-Sc-Zr XOZ面及YOZ面腐蝕機理示意圖

引用格式：Yubin Zhou, Zewu Qi, Baoqiang Cong, Yuan Zhao, Wei Guo, Zihao Jiang, Hongwei Li, Chaofang Dong, Yucheng Ji, Xing He, Haibo Wang, Sanbao Lin, Xiaoyu Cai, Bojin Qi. Influence of in-situ precipitation on corrosion behaviors of wire arc directed energy deposited Al-Mg(-Sc-Zr) [J]. Journal of Materials Science & Technology, 2025, DOI: 10.1016/j.jmst.2024.12.025.