WAAM提升鎂合金力學性能-焦點報道

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導讀

定量分析了WAAM加工Mg-Al基合金的凝固組織演變，研究了凝固組織與力學性能的相關性。其中一個重要的發現是，與熔池非平衡凝固條件相關的基織構弱化和組織細化使WAAM-GTAW處理的AZ31鎂合金具有良好的力學性能和阻尼能力。該工作為進一步定制WAAM加工Mg- Al基合金的組織和性能提供了理論支持，并證明了WAAM工藝是制造集成化結構鎂合金部件的一種有前途的方法。

隨著現代航空航天和軌道交通工業的快速發展，迫切需要具有良好力學性能和阻尼能力的輕量化工程材料，既能實現減重，又能實現減振，有利于實現設備的高機動性和高精度。鎂合金作為最輕的金屬結構材料，具有良好的阻尼性能，在實現結構輕量化和減振方面具有重要的應用前景，受到了廣泛關注。然而，其塑性成形性差，極大地限制了其工程應用。因此，亟需通過新的制造技術拓寬鎂合金部件的應用空間。

近年來，金屬增材制造已成為制造短工藝、高柔性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的途徑。其中，電弧增材制造（WAAM）采用線材作為原料，可以有效解決鎂合金加工性和延展性差的問題。此外，WAAM工藝成本相對較低、沉積效率高、成形空間自由，已然成為制造大型鎂合金部件的一種很有前途的方法。在WAAM處理的Mg-Al基合金熔池凝固過程中，等軸晶主導組織形成的潛在機制仍有待定量闡明，這對于實現晶粒組織的精確控制具有重要意義。然而，對于WAAM加工鎂合金的凝固組織特征、滑移和纏繞模式與力學性能之間的內在關系，目前還缺乏系統的研究。

基于此，重慶大學王敬豐教授課題組聯合西北工業大學林鑫教授科研團隊WAAM - GTAW（鎢極氣體保護焊）加工的AZ31鎂合金為研究對象，旨在揭示WAAM加工Mg-Al基合金的凝固組織與凝固控制參數之間的定量關系，進一步系統闡明了凝固組織對滑移和纏繞方式、力學性能和阻尼能力的影響。相關研究成果以題為““Solidification microstructure evolution and its correlations with mechanical properties and damping capacities of Mg-Al-based alloy fabricated using wire and arc additive manufacturing”發表于期刊《Journal of Materials Science & Technology》。

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對于經WAAM-GTAW處理的AZ31鎂合金，熔池凝固過程中枝晶生長方向的改變有效地削弱了基體織構。基于KGT和CET分析模型，建立了晶粒形貌與凝固控制參數之間的定量關系。結果表明，在WAAM-GTAW過程中，成核位點的數量密度大大增加，促進了等軸晶為主的組織形成。

與半連鑄AZ31鎂合金相比，經WAAM-GTAW處理的AZ31鎂合金具有良好的力學性能和阻尼性能，其屈服強度、抗拉強度和伸長率分別提高了~ 30%、~ 50%和~ 200%。這主要歸因于其細小的等軸晶主導結構和較弱的基底織構，基底滑移施密德系數較高，以及WAAM-GTAW處理過程中熱應力造成的位錯密度較高。

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