上海交通大學(xué)吳國華教授團隊在鎂稀土合金電弧熔絲增材制造方面取得重要研究進展

來源：上海交通大學(xué)材料學(xué)院

近日，上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家工程研究中心吳國華教授團隊與澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的Mark A. Easton教授、上海理工大學(xué)的孫明博士合作在鎂稀土（Mg-RE）合金電弧熔絲增材方面取得了重要研究進展，研究成果以“Microstructural evolution and strengthening mechanism of Mg-Y-RE-Zr alloy fabricated by quasi-directed energy deposition”為題，發(fā)表在國際增材制造領(lǐng)域頂級期刊《Additive Manufacturing》上，該論文也是《Additive Manufacturing》上發(fā)表的第一篇關(guān)于Mg-RE合金電弧熔絲增材制造的論文。博士生童鑫為第一作者，吳國華教授和張亮副研究員為該文共同通訊作者，該研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助。

Mg-RE合金密度低、比強度比剛度高、耐熱性能好，在航空航天輕量化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，采用傳統(tǒng)的鑄造工藝制造Mg-RE合金大型復(fù)雜構(gòu)件時存在制造周期長、材料利用率低、易形成鑄造缺陷等問題，嚴重制約了Mg-RE合金的廣泛應(yīng)用。增材制造能夠通過熔化合金粉末或絲材并逐層堆積出金屬零件，具有制造周期短、沉積構(gòu)件力學(xué)性能較高等特點。當前Mg-RE合金增材制造的相關(guān)研究主要集中在激光粉末床熔融（PBF-LB）方面，然而由于稀土元素化學(xué)活性較強，且合金粉末比表面積較大，采PBF-LB制備Mg-RE合金時極易形成稀土氧化夾雜，嚴重惡化構(gòu)件的力學(xué)性能。因此，亟需針對高活性Mg-RE合金展開增材制造相關(guān)研究，探明Mg-RE合金在增材制造過程中的組織演變及缺陷形成的相關(guān)機制。

針對目前增材制造Mg-RE合金因氧化夾雜嚴重導(dǎo)致強塑性不足的難題，吳國華教授團隊創(chuàng)新地通過電弧熔絲增材制造（DED-Arc）技術(shù)制備Mg-4Y-3RE-0.5Zr合金，采用大直徑絲材配合高頻脈沖交流電弧的陰極清理效應(yīng)有效降低了氧化夾雜含量，沉積構(gòu)件中夾雜含量僅為PBF-LB合金的5%，突破了目前增材制造Mg-RE合金中稀土氧化嚴重的瓶頸�；�于多重?zé)嵫�環(huán)曲線及不同沉積層的組織特征，該團隊還進一步揭示了Mg-Y-RE-Zr合金在電弧增材制造過程中的相變行為，構(gòu)建了Mg-Y-RE-Zr合金在DED-Arc過程中的組織及缺陷的演變模型，提出了電弧熔絲增材成形鎂稀土合金的強韌化機制。該研究為鎂稀土合金電弧熔絲增材冶金缺陷控制及強韌化協(xié)同調(diào)控提供了理論支撐。

近年來，在丁文江院士的大力支持下，吳國華教授團隊在高性能鎂稀土合金開發(fā)、制備、成形等方面取得了一系列原創(chuàng)性研究成果，為推動鎂稀土合金的應(yīng)用做出了重要貢獻。

圖1 DED-Arc成形WE43合金與已報道的PBF-LB成形WE43合金的顯微組織對比

圖2 DED-Arc成形WE43合金中氧化夾雜與孔洞缺陷的分布規(guī)律

圖3 不同增材制造工藝成形WE43合金中氧化夾雜及孔洞缺陷含量對比

圖4 DED-Arc成形WE43合金的層間細晶區(qū)

圖5 DED-Arc成形WE43合金中不同沉積層的強化相析出行為

圖6 WE43合金在DED-Arc成形過程中的組織演變規(guī)律

圖7 DED-Arc成形WE43合金中層間細晶區(qū)的形成機制