导读：增材制造制备的Mg-RE合金通常表现出优异的力学性能，这主要归因于其晶粒的细化。由于Mg-RE系列是典型的时效硬化合金，本研究重点研究了丝弧增材制造Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K)合金的时效行为，并将其与铸态合金进行了比较，为增材制造合金的强化机理提供了新的认识。结果表明，细化的等轴α-Mg晶粒和具有极高密度(~ 2.53 × 104?m?2)的小尺寸(仅5 ~ 10 nm) β′相是合金的强化机制。在多次热循环下形成的位错堆积和沉积过程中的高冷却速率有利于促进析出行为。结果表明，峰时效态沉积合金的综合性能较铸态合金提高19%和18%，UTS=392 MPa, EL=3.3%。

Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K)合金作为稀土含量相对较高的高强镁稀土(Mg-RE)合金的代表之一，因其优异的强度和抗蠕变性能被广泛应用于航空航天等关键领域。时效强化是Mg-RE合金的主要强化方法之一，因为形成的纳米级β′棱柱相(晶格参数为a≈0.64 nm, b≈2.22 nm, c≈0.52 nm的基心正交结构)可以有效地阻止基位错和孪晶的移动。Mg-Gd-Y合金中析出强化相的顺序为:SSSS(过饱和固溶体)→β″→β′→β1→β。在不同的时效处理下，这些析出物可能单独存在，也可能组合存在，从而产生不同的强化作用。

到目前为止，对高稀土含量Mg-Gd-Y-Zr合金的研究主要集中在铸造方法上。随着航空航天零部件向大尺寸、复杂结构的不断发展，Mg-RE合金的增材制造(AM)开始受到关注。与基于粉末的工艺(如激光粉末床熔融，LPBF)相比，基于线材的增材制造(如线材电弧增材制造，WAAM)具有较少的氧化物夹杂物和孔隙缺陷的优点。此外，WAAM具有较高的沉积效率，更适用于制造大型复杂部件。由于WAAM也是通过一层一层的凝固进行的，以前的研究通常将WAAMed Mg-RE合金的性能与铸造样品进行比较。

有报道称，WAAM法制备的镁合金强度和塑性均高于铸造样品。WAAM制备的Mg-6Gd-3Y-0.5Zr合金的抗拉强度和伸长率分别达到237 MPa和8.9%，比铸态合金提高11.8%和43.5%[17]。Tong等人[14]也成功地使用WAAM系统制造了WE43合金。在底层观察到细小的等轴的晶粒，平均尺寸仅为12.5?m。该合金的力学性能为UTS= 271±13 MPa, YS = 199±12 MPa, EL = 8.1±0.9%，超过了常规制备和PBF-LB合金的强度-塑性组合。大多数研究人员简单地将WAAMed样品较高的力学性能归因于快速冷却获得的更细的晶粒。Mg-RE合金是典型的时效硬化合金，析出强化是时效强化的主要因素，尤其是含重稀土的Mg-RE合金。然而，WAAMed Mg-RE合金的析出行为目前尚未得到关注。增材制造Mg-RE合金的析出行为值得关注，特别是增材制造Mg-RE合金与铸态合金的析出行为差异。

基于以上事实，上海交通大学吴国华教授团队采用WAAM法制备了GW93K合金。作为对比研究，采用铸造法制备了另一组GW93K合金。本研究系统地研究了WAAMed试样在时效过程中的析出行为，重点研究了WAAMed与铸态试样在峰时效状态下析出相的差异。相信本研究可以为Mg-RE合金在增材制造中的强化机理提供一些新的见解。

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

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

表1. WAAMed GW93K的处理参数

表2. 用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)测定了填充棒和沉积态GW93K合金的化学成分(wt.%)

图1所示。铸造态和沉积态GW93K合金的显微组织特征:(a、d)光学显微图和(b、e) SEM显微图，(c、f)上述SEM显微图对应的能谱图。

图2所示。(a) T4处理前后GW93K合金沉积态和铸态的XRD谱图;(b)相应的SEM显微图

图3所示。铸造态和沉积态GW93K合金的EBSD结果:(a, d)晶粒形貌;(b, e) KAM地图;(c, f)不同取向角下的GBs分布。(g)和(h)为不同合金中不同取向角的gb的频率(%)

图4所示。GW93K合金力学性能:(a) t4处理合金的时效硬化曲线;(b)拉伸性能;(c)与其他铸造合金的抗拉强度和伸长率的比较

图5所示。不同方法制备的GW93K合金的峰时效TEM结果:(a)铸造态和沉积态合金的HAADF-STEM图像和插入SAED图案。(c)沉积合金中析出相的HRTEM图像;(d) (c)中方形区域的放大视图，并插入相应的FFT模式;(e)相应的GPA图

表3。在Orowan方程中使用的参数的含义和值 

图6所示。不同时效阶段GW93K合金的TEM图像:(a, d)欠时效;(b, e)峰值老化;(c, f)过度老化;(g)和(h)分别为时效峰态和过时效态析出相对应的元素扫描图;

图7所示。铸造态和沉积态GW93K合金的析出行为简图

本文系统地比较了铸造成形和WAAM成形GW93K合金的差异。结果表明，WAAM成形的合金具有良好的抗拉强度和延伸率。通过对比两组合金在峰时效状态下的表现，发现除了晶粒细化外，位错堆积引起的高度促进析出行为是WAAM试样具有优异性能的主要原因。研究了沉积合金在不同时效状态下的析出行为，发现在过时效状态下，在两个原始β′颗粒的交界处形成了新的析出物β M。