上海交通大学吴国华教授团队在镁稀土合金电弧熔丝增材制造方面取得重要研究进展

来源：上海交通大学材料学院

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与澳大利亚皇家墨尔本理工大学的Mark A. Easton教授、上海理工大学的孙明博士合作在镁稀土（Mg-RE）合金电弧熔丝增材方面取得了重要研究进展，研究成果以“Microstructural evolution and strengthening mechanism of Mg-Y-RE-Zr alloy fabricated by quasi-directed energy deposition”为题，发表在国际增材制造领域顶级期刊《Additive Manufacturing》上，该论文也是《Additive Manufacturing》上发表的第一篇关于Mg-RE合金电弧熔丝增材制造的论文。博士生童鑫为第一作者，吴国华教授和张亮副研究员为该文共同通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金的资助。

Mg-RE合金密度低、比强度比刚度高、耐热性能好，在航空航天轻量化领域具有广阔的应用前景。然而，采用传统的铸造工艺制造Mg-RE合金大型复杂构件时存在制造周期长、材料利用率低、易形成铸造缺陷等问题，严重制约了Mg-RE合金的广泛应用。增材制造能够通过熔化合金粉末或丝材并逐层堆积出金属零件，具有制造周期短、沉积构件力学性能较高等特点。当前Mg-RE合金增材制造的相关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学活性较强，且合金粉末比表面积较大，采PBF-LB制备Mg-RE合金时极易形成稀土氧化夹杂，严重恶化构件的力学性能。因此，亟需针对高活性Mg-RE合金展开增材制造相关研究，探明Mg-RE合金在增材制造过程中的组织演变及缺陷形成的相关机制。

针对目前增材制造Mg-RE合金因氧化夹杂严重导致强塑性不足的难题，吴国华教授团队创新地通过电弧熔丝增材制造（DED-Arc）技术制备Mg-4Y-3RE-0.5Zr合金，采用大直径丝材配合高频脉冲交流电弧的阴极清理效应有效降低了氧化夹杂含量，沉积构件中夹杂含量仅为PBF-LB合金的5%，突破了目前增材制造Mg-RE合金中稀土氧化严重的瓶颈。基于多重热循环曲线及不同沉积层的组织特征，该团队还进一步揭示了Mg-Y-RE-Zr合金在电弧增材制造过程中的相变行为，构建了Mg-Y-RE-Zr合金在DED-Arc过程中的组织及缺陷的演变模型，提出了电弧熔丝增材成形镁稀土合金的强韧化机制。该研究为镁稀土合金电弧熔丝增材冶金缺陷控制及强韧化协同调控提供了理论支撑。

近年来，在丁文江院士的大力支持下，吴国华教授团队在高性能镁稀土合金开发、制备、成形等方面取得了一系列原创性研究成果，为推动镁稀土合金的应用做出了重要贡献。

图1 DED-Arc成形WE43合金与已报道的PBF-LB成形WE43合金的显微组织对比

图2 DED-Arc成形WE43合金中氧化夹杂与孔洞缺陷的分布规律

图3 不同增材制造工艺成形WE43合金中氧化夹杂及孔洞缺陷含量对比

图4 DED-Arc成形WE43合金的层间细晶区

图5 DED-Arc成形WE43合金中不同沉积层的强化相析出行为

图6 WE43合金在DED-Arc成形过程中的组织演变规律

图7 DED-Arc成形WE43合金中层间细晶区的形成机制