《JMST》：优异力学性和阻尼性！WAAM镁合金的凝固组织演变研究

导读：

电弧增材制造(WAAM)为制造具有高制造灵活性的大型镁合金部件提供了一种潜在的方法。基于KGT和CET 分析模型，定量分析了WAAM-GTAW加工Mg-Al基合金的凝固组织演变及其凝固组织与力学性能、阻尼能力的相关性。结果表明，WAAM-GTAW工艺显示出巨大的潜力，可以制造出具有良好力学性能和阻尼能力的大型Mg基合金部件。该工作为进一步定制WAAM加工Mg-Al基合金的组织和性能提供了理论支持。

随着现代航空航天和轨道交通工业的快速发展，迫切需要具有良好力学性能和阻尼能力的轻量化材料，以实现减重和减振的结合。镁合金作为最轻的金属结构材料，具有良好的阻尼性能，在实现结构轻量化和减振方面具有重要的应用前景。但其塑性成形性差，极大地限制了其工程应用，通过新的制造技术拓宽镁合金部件的应用空间是当务之急。

近年来，金属增材制造成为制造短工艺、高柔性高性能金属部件的重要手段，为高性能镁合金部件的制造提供了新途径。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)和电弧增材制造（WAAM）。然而，镁合金在LPBF过程中的可加工性很差且存在严重的安全隐患，限制了LPBF加工镁合金的发展。WAAM采用线材作为原料，可以有效解决LPBF工艺所面临的问题，同时工艺成本相对较低、沉积效率高、成形空间自由，使其成为制造大型镁合金部件的一种很有前景的方法。

迄今为止，对WAAM镁合金的研究主要集中在Mg-Al基合金(AZ系列)，经WAAM处理的等轴晶主导组织Mg-Al基合金的抗拉强度和伸长率与经变形处理的Mg-Al基合金相当。然而，对于WAAM加工镁合金的凝固组织特征、滑移和缠绕模式与力学性能、阻尼能力之间的关系还缺乏系统的研究。

基于此，重庆大学王敬丰教授课题组联合西北工业大学林鑫教授团队以WAAM-GTAW(钨极气体保护电弧增材制造)加工的AZ31镁合金为研究对象，旨在阐明WAAM加工Mg-Al基合金的凝固组织与凝固控制参数之间的定量关系，进一步系统研究了凝固组织对滑移和缠绕方式、力学性能和阻尼能力的影响。研究成果以题为“Solidification microstructure evolution and its correlations with mechanical properties and damping capacities of Mg-Al-based alloy fabricated using wire and arc additive manufacturing”发表于期刊《Journal of Materials Science & Technology》。其中一个重要的发现是，与熔池非平衡凝固条件相关的基织构弱化和组织细化使WAAM-GTAW处理的AZ31镁合金与铸造AZ31镁合金相比具有良好的力学性能和阻尼能力。

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经WAAM-GTAW处理的AZ31镁合金中，熔池凝固过程中枝晶生长方向的改变有效地削弱了基体织构。通过建立的晶粒形貌与凝固控制参数之间的定量关系，发现在WAAM-GTAW过程中，成核位点的数量密度大大增加，促进了等轴晶主导结构的形成。

与半连铸AZ31镁合金相比，经WAAM-GTAW处理的AZ31镁合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别提高了~ 30%、~ 50%和~ 200%，其潜在机制主要是由于其细小的等轴晶主导结构和较弱的基底织构，具有孪晶诱导塑性(TWIP)效应的{10-12}<10-11>拉伸孪晶，以及细化的第二相颗粒减轻了微观损伤。此外，合金还具有良好的阻尼性能，主要归因于基体织构减弱，施密德系数较高，以及过程中热应力造成的位错密度较高。

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