上海交大：镁稀土合金电弧增材制造研究

Mg-Y-RE-Zr系列镁稀土合金具有密度低、耐热性好、抗蠕变性能优良等特点，被广泛用于航空发动机机匣、卫星支架等部件，在航空航天、交通运输等领域具有广阔的应用前景。采用铸造或者锻造等传统工艺制造镁稀土合金大型复杂构件时，制造周期较长、材料利用率低、易产生成形缺陷，限制了该系列合金在关键领域的进一步应用。

增材制造是一种利用激光或电弧等作为热源，通过熔化合金粉末或丝材，在程序控制下逐层堆积出金属零件的先进制造技术。当前，镁稀土合金增材制造的研究主要集中在激光粉末床熔化（LPBF）方面，由于LPBF的冷却速度极快，沉积层晶粒尺寸能低至数微米。但由于Y元素与氧较强的亲和性以及合金粉末较高的比表面积，LPBF制备的Mg-Y-RE合金中通常会存在严重的Y2O3夹杂，恶化了制件的力学性能。因此，亟需针对高活性Mg-Y-RE合金展开其他增材制造工艺的探索。

近日，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心吴国华教授团队在镁稀土合金电弧增材制造方面取得重要研究进展.本期谷.专栏将对此进行分享。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132922

高性能镁稀土合金增材制造新视野

在该研究中，吴国华教授团队创新地采用了电弧熔丝增材制造（WAAM）技术实现了Mg-4Y-3RE-0.5Zr合金的制备，并首次报道了电弧熔丝增材镁稀土合金的组织不均匀性及其形成机制。

图1 WAAM制备的Mg-4Y-3RE-0.5Zr合金及其显微组织

研究表明，由于交流电弧独特的阴极清理效应以及合金丝材较低的比表面积，WAAM工艺所制备的镁稀土合金中并未发现明显的氧化夹杂缺陷。另一方面，相比较于LPBF工艺而言，WAAM较大的热输入使得熔池的冷却速度较小，能有效降低合金凝固时的收缩应力，抑制裂纹萌生。

图2 WAAM制备的Mg-4Y-3RE-0.5Zr合金的第二相及晶粒尺寸分布

图3 WAAM制备的Mg-4Y-3RE-0.5Zr合金不同沉积层的DSC分析

该研究通过对沉积层不同高度的显微组织进行表征，揭示了Mg-Y-RE-Zr合金在电弧熔丝增材制造过程中的组织演变机制。实验结果表明，随着沉积高度的不断提高，沉积层的冷却速度逐渐降低，导致了沉积层晶粒尺寸沿高度方向逐渐粗化。此外，电弧加热导致的多重热循环会对已沉积层形成“原位固溶”和“原位时效”的效果。沉积层底部的共晶组织在多重热循环的作用下首先发生溶解，随后稀土元素又在多重热循环的作用下下沉淀析出，在晶界和晶内形成了弥散分布的β’和β1相。沉积层顶端组织主要由粗大的α-Mg枝晶和连续粗大的共晶组织组成，并未发现稀土沉淀相的存在。

图4 WAAM制备的Mg-4Y-3RE-0.5Zr合金在沉积高度方向上的显微硬度分布

由于WAAM工艺制备的Mg-Y-RE-Zr合金中存在明显的组织不均匀性，其在沉积高度方向上的力学性能也存在显著差异。该研究首次报道了镁稀土合金电弧熔丝增材的相关研究，为高性能镁稀土合金的增材制造技术开辟了新视野。

近年来，在丁文江院士的大力支持下，吴国华教授团队一直在镁稀土合金材料开发及其成形技术领域展开深入研究并取得了一系列原创性科研成果，为镁稀土合金在航空航天领域的推广应用提供了有力支撑。

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增材制造技术（Additive manufacturing）又称“3D打印”，是基于三维计算机辅助设计（CAD）模型数据，通过分层制造、逐层堆积的制造方式，直接将材料成形为实体零件，近年来在航空航天、汽车、生物医疗及模具等行业得到广泛的应用。

增材制造制件性能由材料、设计、工艺、装备等多个方面共同决定，为了增强模型设计合理性，提高成形工件质量，进一步提升增材制造工艺水平，中国机械工程学会根据本技术领域对标准化的迫切需要，组织专家制定相应团体标准加以规范。

日前，经中国机械工程学会标准化工作委员会审定，增材制造支撑设计与工艺参数相关的两项标准正式发布。

标准名称

《增材制造支撑设计规范》（T/CMES 35012-2022）

《增材制造工艺参数库构建规范》（T/CMES 35011-2022）

以上两项标准由中国机械工程学会增材制造技术分会提出，南京理工大学牵头研制。两项标准将于2022年9月正式实施。

《增材制造支撑设计规范》

规定了增材制造中支撑设计的一般要求、典型结构特征的支撑设计要求，适用于增材制造领域的成形工件支撑设计。

标准界定了增材制造支撑设计相关的术语和定义，规定了支撑结构在增材制造过程中的作用，支撑结构设计流程、基本原则等，对典型结构特征进行归类，并明确推荐使用的支撑类型、接触形式及适用的增材制造工艺。

图1 典型支撑结构设计

《增材制造工艺参数库构建规范》

规定了增材制造工艺参数库的结构、数据库系统设计、工艺参数描述和成形件性能描述，适用于增材制造工艺参数库的构建。

标准界定了增材制造工艺参数库相关的术语和定义，规定了工艺参数库的结构、数据库系统设计，并对包括立体光固化、粉末床熔融、材料挤出、定向能量沉积等8类增材制造工艺参数库构建做出规定。

图2 增材制造工艺参数库结构

截止2022年8月，中国机械工程学会已发布增材制造系列标准11项，在研13项：

• T/CMES35003-2015 增材制造基本原理 术语
• T/CMES35001-2017 增材制造基本原理 零件采购与服务需求
• T/CMES 35004-2021 增材制造 激光粉末床熔融316L不锈钢技术要求
• T/CMES 35005-2021 增材制造 激光粉末床熔融AlSi10Mg合金技术要求
• T/CMES 35006-2021 增材制造 激光粉末床熔融IN718合金技术要求
• T/CMES 35007-2021 增材制造 激光粉末床熔融TC4合金技术要求
• T/CMES 35008-2021 增材制造 金属粉末定向能量沉积设备加工模块性能测试方法
• T/CMES 35009-2022 金属激光定向能量沉积工艺过程质量控制规范
• T/CMES 35010-2022 激光定向能量沉积设备检测方法
• T/CMES 35011-2022 增材制造工艺参数库构建规范
• T/CMES 35012-2022 增材制造支撑设计规范

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