为了克服镁合金塑性成型差的问题，该研究采用增材制造技术以提供一种灵活度高的大型镁合金部件制备方法。电弧熔丝增材制造技术（wire and arc additive manufacturing， WAAM）具有相对成本低、沉积效率高和自由的成形空间等优势，因此被研究人员选为镁合金增材制造的方法。研究人员对比了WAAM工艺和传统铸造Mg-Al合金，发现WAAM处理的镁铝合金具有等轴晶主导的微观结构，同时显示出机械性能和阻尼能力的增强。

随着现代航空航天和轨道交通行业的快速发展，迫切需要兼顾力学性能和阻尼能力的轻量化工程材料。用这种结构-功能一体化材料制成的部件可以同时实现减重和减振，有利于实现装备的高机动性和高精度。镁（Mg）合金作为最轻且阻尼性能较好的金属结构材料，近年来在这些领域受到越来越多的关注。然而，六方密排(HCP)晶体结构的有限滑移系统导致镁合金的锻造成形性较差。因此，目前镁合金部件主要采用铸造法制造。铸造镁合金可靠性低、力学性能差，极大地限制了其应用领域。因此，迫切需要通过新的制造技术拓宽镁合金构件的应用空间。

国内顶级材料期刊《Journal of Materials Science & Technology》在近期刊出了由重庆大学和西北工业大学等单位联合发表的关于镁铝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”。

近年来，以激光束、电子束、电弧等高能束流为热源的金属增材制造已成为短流程、高灵活度和高效率制造高性能金属部件的重要手段。这为高性能镁合金部件的制造提供了一条新途径。目前，镁合金增材制造的相关研究工作主要集中在激光粉末床熔化（LPBF）和电弧熔丝增材制造（WAAM）工艺上。LPBF工艺适用于中小型复杂部件的制备。然而，LPBF工艺过程中镁合金的可制造性相当差。一方面，低密度（~1.7g/cm3）镁合金粉末的流动性差限制了粉末床的质量；另一方面，由于Mg元素的低沸点（~1093°C）和高饱和蒸气压，在LPBF过程中容易产生严重的蒸发烟雾，影响粉末床的稳定性和激光能量。这限制了LPBF加工的镁合金的冶金质量，导致拉伸延展性差(~3%)。此外，由于镁合金粉末的易燃易爆特性，LPBF工艺过程中存在严重的安全隐患。相比之下，WAAM采用线材作为原料，可以有效解决LPBF工艺所面临的上述问题。此外，WAAM工艺相对较低的成本、较高的沉积效率和自由的成形空间使其成为制造大型镁合金部件的有前途的方法。

目前，WAAM加工镁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工艺主要基于钨极气体保护焊(GTAW)和冷金属过渡焊(CMT)。通常，由于熔池凝固过程中的高温梯度，在金属材料的WAAM加工过程中会获得柱状晶为主的结构。有趣的是，在WAAM处理的Mg-Al基合金中可以很容易地获得等轴晶为主的结构。对于WAAM处理的Mg-Al基合金，熔池凝固过程中晶粒形态的选择取决于凝固控制参数，如合金成分、温度梯度和凝固速度。然而，WAAM处理的Mg-Al基合金在熔池凝固过程中形成等轴晶主导的晶粒结构的潜在机制仍有待定量阐明，这对于实现精确控制具有重要意义。

尽管屈服强度(YS)相对较低，但WAAM处理的具有等轴晶主导结构的镁铝基合金的极限抗拉强度(UTS)和断裂伸长率与锻造镁-铝基合金相当。例如，WAAM处理的具有等轴晶主导结构的AZ31镁合金可以达到221-263MPa和21.0-27.3%的抗拉强度，与变形AZ31镁合金相当；但YS仅为79-104MPa，约为变形AZ31镁合金的一半。对于具有HCP晶体结构的镁基合金，室温下基底滑移的临界分解剪切应力(CRSS)远低于非基底滑移；因此基础滑动是最简单的滑动模式。因此，镁基合金的力学性能和阻尼能力都与基底织构的特征密切相关。除位错滑移外，孪生是低晶体对称性镁基合金的另一种重要变形方式，孪生方式与晶粒取向和晶粒尺寸密切相关。然而，WAAM处理的Mg-Al基合金的凝固微观结构特征、滑移和孪晶模式以及机械性能/阻尼能力之间的潜在关系仍缺乏系统研究。

图 (a) WAAM-GTAW过程示意图；(b) 薄壁部件的图像；(c) 取样位置示意图；(d) 拉伸和阻尼试样的图像

因此，该工作首先旨在阐明WAAM处理的Mg-Al基合金凝固微观结构与凝固控制参数之间的定量关系；然后，进一步系统地阐明了凝固微观结构对滑移和缠绕模式、力学性能和阻尼能力的影响。该研究以WAAM-GTAW处理的AZ31镁合金为研究对象。其中一项重要发现是，与熔池的非平衡凝固条件相关的基底织构弱化和微观结构细化赋予WAAM-GTAW处理的AZ31镁合金具有良好的机械性能和阻尼能力的组合。这项工作为进一步定制WAAM加工的镁铝基合金的微观结构和性能提供了理论支持，并证明了WAAM工艺是制造结构功能一体化镁合金部件的一种有前途的方法。来源增材制造硕博联盟。

论文链接: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.10.019