上海交通大學(xué)吳國(guó)華教授團(tuán)隊(duì)在鎂稀土合金電弧熔絲增材制造方面取得重要研究進(jìn)展

來(lái)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(guó)家工程研究中心吳國(guó)華教授團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(guó)際增材制造領(lǐng)域頂級(jí)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(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

Mg-RE合金密度低、比強(qiáng)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(shí)存在制造周期長(zhǎng)、材料利用率低、易形成鑄造缺陷等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了Mg-RE合金的廣泛應(yīng)用。增材制造能夠通過(guò)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(diǎn)。當(dāng)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(qiáng)，且合金粉末比表面積較大，采PBF-LB制備Mg-RE合金時(shí)極易形成稀土氧化夾雜，嚴(yán)重惡化構(gòu)件的力學(xué)性能。因此，亟需針對(duì)高活性Mg-RE合金展開(kāi)增材制造相關(guān)研究，探明Mg-RE合金在增材制造過(guò)程中的組織演變及缺陷形成的相關(guān)機(jī)制。

針對(duì)目前增材制造Mg-RE合金因氧化夾雜嚴(yán)重導(dǎo)致強(qiáng)塑性不足的難題，吳國(guó)華教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地通過(guò)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?jī)H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(yán)重的瓶頸。基于多重?zé)嵫�環(huán)曲線及不同沉積層的組織特征，該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步揭示了Mg-Y-RE-Zr合金在電弧增材制造過(guò)程中的相變行為，構(gòu)建了Mg-Y-RE-Zr合金在DED-Arc過(guò)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(qiáng)韌化機(jī)制。該研究為鎂稀土合金電弧熔絲增材冶金缺陷控制及強(qiáng)韌化協(xié)同調(diào)控提供了理論支撐。

近年來(lái)，在丁文江院士的大力支持下，吳國(guó)華教授團(tuán)隊(duì)在高性能鎂稀土合金開(kāi)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(dòng)鎂稀土合金的應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。

圖1 DED-Arc成形WE43合金與已報(bào)道的PBF-LB成形WE43合金的顯微組織對(duì)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(duì)比

圖4 DED-Arc成形WE43合金的層間細(xì)晶區(qū)

圖5 DED-Arc成形WE43合金中不同沉積層的強(qiáng)化相析出行為

圖6 WE43合金在DED-Arc成形過(guò)程中的組織演變規(guī)律

圖7 DED-Arc成形WE43合金中層間細(xì)晶區(qū)的形成機(jī)制