导读：强度-延展性权衡是镁合金中常见的问题。本研究提出在镁合金的金属电弧增材制造（WAAM）过程中，通过调整层间停留时间（IDT），可以协同提高强度和延性。此外，还研究了不同IDT对WAAM加工镁合金薄壁的微观结构特性和合成力学性能的影响。结果表明，在IDT=0s时，薄壁组分的稳定温度可达到290°C，表明热积累效应显著。因此，生成了平均尺寸为39.6 μm的单峰粗粒，所得到的室温拉伸性能较差。当IDT延长到60s时，热输入和热耗散达到平衡，稳定温度仅为170℃，接近基底的初始温度。得到了一种具有双峰尺寸分布的精细晶粒结构。重熔区细粒15.2μm，圆弧区粗粒24.5μm。粗粒和细粒的交替分布消除了强度-延性的权衡。在IDT=60s时，样品的极限拉伸强度和伸长率在IDT=60s时分别提高了20.6％和75.0%。这些发现将有助于先进镁合金的增材制造工艺的发展。
镁及其合金由于其比重小、比强度高、电磁屏蔽性能和可回收性，在轻质、节能、环保的工程系统方面具有巨大的潜力。然而，镁及其合金由于其六边形晶体结构，延性低，导致工作性差，限制了其的广泛应用。迄今为止，95%以上的镁合金产品都是采用永久模铸、砂铸、压铸等铸造方法制造的，存在铸造缺陷、机械性能差、制造周期长、成形性复杂等问题。目前，制造商非常重视轻量级组件，导致拓扑优化结构的关注，但这是困难的通过常规工艺进行制备。增材制造（AM）利用高能热源逐层制造部件，克服了传统制造工艺的瓶颈，为制造具有复杂结构的部件提供了替代机会。此外，AM还具有较高的材料利用率。例如，激光粉末床熔合（LPBF）的材料利用率可达95%，线弧增材制造（WAAM）的材料利用率可达近100%，均远高于传统的减法制造工艺（仅5%）。此外，AM还通过精确控制工艺参数，生产具有定制的微观结构和性能的合金，并加速产品的迭代。WAAM是最常用的AM工艺之一，它是基于电弧焊工艺（包括气体金属弧焊、气体钨弧焊、等离子弧焊）来制造金属零件。与LPBF相比，WAAM具有大型零部件快速制造、设备成本低、避免镁粉爆炸的安全隐患等优势。因此，近年来对Mg及其合金的WAAM工艺的研究报道越来越多。目前，Mg及其合金的WAAM领域有大量的工作。为了缓解WAAM Mg合金组件的各向异性力学性能，Bi等采用金属弧增材制造-冷金属转移（WAAM-CMT）工艺，具有低热输入、低稀释比、无飞溅和极稳定的电弧来制造镁合金组件，因此比其他WAAM工艺制备的组件性能更好。对WAAM-CMT处理的AZ31薄壁的微观结构进行了研究，发现其微观结构具有垂直柱状树突和方向变化的柱状树突。需要注意的是，在沉积过程中，连续运动的热源反复作用于沉积层，导致复杂的热历史，甚至严重的热积累程度。在此，西安理工大学材料科学与工程学院徐春杰教授团队研究了通过调节层间停留时间，增强了导线和电弧叠加制造的镁合金的强度-延性协同作用。本研究提出，在镁合金的金属丝和电弧增材制造（WAAM）过程中，通过调整层间停留时间（IDT），可以协同提高强度和延性。热偶被用于监测WAAM过程中的热历史。此外，还研究了不同IDT对WAAM加工镁合金薄壁的微观结构特性和合成力学性能的影响。相关研究成果以题“Enhanced strength-ductility synergy in a wire and arc additively manufactured Mg alloy via tuning interlayer dwell time”发表在金属顶刊Journal of Magnesium and Alloys上。链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956723000300镁合金薄壁成分沉积工艺示意图。以尺寸为400 mm×400 mm×60 mm的AZ31镁合金轧制板作为沉积基底。所有试样均由WAAM-CMT系统沉积，该系统主要由Fronius CMT先进4000R焊接设备、给线器、氩气输送子系统和ABB IR2600工业机器人组成，如图1a所示。屏蔽气采用99.99%的高纯氩气，流量为20 L/min，经初步试验。为了清楚地研究IDT的影响，我们用不同的IDT（包括0、30、60和120s）沉积了一个22层的薄壁成分。图1b为WAAM-CMT过程示意图。采用往复单向策略将导线逐层沉积在镁合金基板上（图1d)。值得注意的是，本研究引入了弧炬的摆动策略。摆动长度为10 mm，摆动宽度为4 mm，如图1c所示。为了监测升温过程中的温度变化，将一个热电偶固定在表面以下2 mm的基板上（图1a）。温度测试仪编号为EX4000-8（图1e)。在沉积前，首先用乙醇清洗底物以去除有机物，然后预热到约160°C。在不同IDTs的WAAM过程中，温度随时间的变化：(a) 0秒、(b)30秒、(c) 60s、(d) 120s。图2为不同IDTs条件下WAAM-CMT过程中热电偶测量的热循环曲线。这些曲线由一系列的峰和波槽组成。在IDT=0s的情况下，测点温度升高到234℃，如图2a所示。随后，由于热源逐渐远离测量点，温度在3秒内降低到225℃。在接下来的沉积过程中，如果热源到达测量点，温度就会再次升高，一旦热源离开测量点，温度就会再次下降。考虑到在IDT=0s时几乎没有冷却时间，因此热积累效应显著，导致随着沉积过程的进行，温度不断升高。沉积15层后，测点的热输入和散热达到平衡，表明热积累是稳定的。结果，热曲线的波峰和波谷消失，而温度维持在290°C。需要注意的是，在IDT=0s下大量热积累导致液态金属长期流动，制造试样的最终表面出现明显的过度熔化现象，如图2a所示。因此，在IDT=值为0s时沉积的薄壁成分在四种情况中高度最小。此外，在相邻的层之间没有明确的分界线，熔体液滴的上层可能覆盖了之前的几个层。简而言之，过量的热积累极大地破坏了薄壁构件的尺寸稳定性。不同IDTs沉积的薄壁组件的微观结构：(a) 0秒、(b)30s、(c) 60s、(d) 120s；以及镁合金中RZ的平均晶粒尺寸和面积分数(e)。图3为具有不同IDTs的WAAM-CMT处理过的薄壁组分的微观结构。在所有的样品中，均观察到全等轴的晶粒结构和半连续的网状晶界。但不同IDT试样的粒度存在显著差异。由于试样在IDT=0s时的冷却时间最短，因此没有发现明显的典型热影响区。晶粒度均匀，但相对粗糙（39.8μm），如图3a所示。当IDT扩展到30s时，出现了层状带结构，重熔区（RZ）的宽度约为160μm。RZ之间的剩余区域称为弧区（AZ）。在下一层沉积之前，由于IDT的利用，之前沉积的薄壁部分温度较低，因此可以作为多相成核的基础。因此，在RZ中的成核速率较高，合成的晶粒非常细（15.6 μm）。同时，IDT导致了上述和相应的峰值和波谷温度的降低。不同IDTs标本的SEM图像：0秒；(b)60秒；(c)30秒；(d) 120s；以及60秒IDT标本的TEM显微图和相应的W相(e)和MgZn2相(f)的SAED模式。不同IDT的WAAM-CMT加工Mg合金的二次相如图4所示。可见，大多数晶界均被金属间颗粒所占据。根据图4a1所示的形状和颜色，确定了三个主要的二次相：(A)亮度相对较高的网络相、(B)亮度相对较低的块状相，以及少量的细沉淀(C)局部分散在晶界附近的α-Mg基质中。结果表明，块状相(B)和细沉淀相(C)的化学组成相似，主要包括Mg、Zn、Y、Nd和Gd。不同IDTs标本的XRD模式。对0s和60s IDT的标本进行XRD分析，如图5所示。鉴定了α-Mg、W和相的衍射峰，与扫描电镜观察结果一致。相和W相是Mg-Zn-Re合金中常见的第二相，通常在铸造过程中形成。由于它们的稳定特性，后续的热处理过程和变形过程不会改变这些相的类型。因此，在本实验中，第二阶段主要是在沉积过程中形成的。此外，由于层间等待时间因素的存在，RZ区域更有利于成核。这也促进了这些第二相的沉淀，这有利于力学性能的提高。0s IDT标本的EBSD扫描图像，平行于BD：(a)反极图（IPF）；(b) KAM地图；(c)极图。用EBSD对IDT=0s和60s制备的试样进行了进一步研究，结果与建筑方向(Z)平行，结果如图6所示。很明显，在IDT=0s时，样品中的大部分颗粒都是粗糙的（图6a）。(a)值为0秒和(b)值为60s的试样的断裂分析结果：SEM断裂面（a、a1、b、b1）和断裂试样的微观结构（a2、b2）。0s和60s的IDTs拉伸片断裂分析如图7所示。可见，两种标本均出现韧性断裂，具有凹窝和撕裂脊的特征。而0s IDT的试样（图7a）的凹窝比60s IDT的试样（图7b）的更小、更浅，说明前者比后者的塑性变形能力较差。在0s IDT的试样中，晶粒尺寸较大，晶界形成的次相相对粗糙，使得α-Mg基体与次相的界面容易产生裂纹。总的来说，本文采用WAAM-CMT工艺成功制备了不同IDT的薄壁镁合金组件。对其热积累、微观结构特性和力学性能进行了综合分析。分析得知，停留时间对薄壁的成形性有重要影响。出现溢流现象是由于热积累等待时间小于30s。将停留时间延长到60s，热积累有效耗散，薄壁成形性保持稳定。对于无停留时间的试样，微观结构为等轴颗粒，颗粒较粗。经过一定的层间停留时间后，薄壁的热积累减少，有利于晶粒的细化和RZ的形成。由于层间停留时间不同，主要相为α-Mg相、W相和MgZn2相。与停留时间为60s的试样相比，无停留时间的试样具有较高的温度沉积过程，导致残余应力较低。此外，两种样品均表现出较低程度的纹理强度。由于晶粒结构不均匀和晶粒细化，随着层间停留时间的延长，薄壁的力学性能得到了提高，在60s时达到最大值。本文来自材料学网微信公众号，欢迎友好转载，转载请联系后台，未经许可，谢绝转载