重庆大学李坤&潘复生院士团队综述：高性能镁合金电弧增材制造技术研究现状与展望！

来源：材料科学与工程

镁合金是目前最轻的工程结构材料之一，其密度约为1.8g/cm3，相当于铝的2/3和铁的1/4。是目前轻量化的理想材料，在汽车、轨道交通、航空航天、信息产业和能源工业等领域均有重要的应用潜力。目前制备镁合金的主要方法为铸造与挤压技术。

但受凝固速度与热梯度的影响，铸件通常存在致密度低、气孔、裂纹等缺陷，同时铸件的晶粒粗细分布不均，力学性能较差。相比于铸造技术，热挤压能够通过动态再结晶行为有效地细化组织，提升机械性能。然而，镁合金的塑性变形往往需要在较高的温度下激活更多的滑移系，以获得良好的加工塑性。但是，镁的亲氧性与疏松的氧化膜缺陷极易导致镁合金在成形过程中发生氧化夹杂等缺陷。镁及其合金在高温下会形成松散和多孔的非保护性氧化膜。氧化过程中产生的热量会加剧进一步的氧化，温度可能高达2850℃(高于1170℃的镁沸点)，同时镁的饱和蒸气压非常高，在高温下有可能发生爆炸，造成制备中的危险。此外，铸造与挤压技术在生产较复杂构件时往往需要繁琐的减材加工与后处理工艺，这不仅造成了原材料的浪费，同时降低了生产效率。

增材制造技术在制备高性能和个性化零件方面引起企业与研究者极大的兴趣。与传统的减法加工方法相比，增材制造零件设计不受形状限制。同时由于冷却速度快，镁合金的晶粒细化、固溶强化与析出强化机制将会得到大大的增强，其零件的机械性能明显高于铸造产品，甚至达到锻件水平。因此，增材制造技术对镁合金的构件的设计与制备开辟了一个全新并附有挑战性的探索领域。在面向大构件的镁合金制造中，电弧增材制造技术因其高沉积速率与不受制造空间的限制，因此受到了广泛的关注。但镁合金的电弧增材制造相比钛及其合金、铝及其合金、铜基合金、镍基合金和钢等材料，目前处于探索的初级阶段。因此，分析并讨论镁合金电弧增材制造的成形、组织与性能特点以及质量优化策略显得尤为重要，基于此，重庆大学李坤教授联合潘复生院士团队对此进行了研究与总结，相关文章以题为“高性能镁合金电弧增材制造技术研究现状与展望”发表在《机械工程学报》上。

论文链接：https://link.cnki.net/urlid/11.2187.TH.20240123.1210.028

高性能镁合金已成为运载装备轻量化的重要发展方向之一，而镁合金因其自身活泼的性质和较差的室温加工性，在传统制造技术中受到了很大限制。电弧增材制造(Wire arc additive manufacturing，WAAM)是以丝材为原料，通过电弧将丝材逐层熔化堆积形成致密金属零部件的过程，属于直接能量沉积增材制造技术，因其沉积速率高、制造空间大、成形稳定、过程安全等特点成为高性能镁合金先进制备的重要手段之一。本文系统综述了目前电弧增材制造镁合金的研究现状，重点综述了目前电弧增材制造技术以及其沉积态镁合金在成形、组织与性能上的特点。同时针对镁合金在制备过程中的热循环、热累积、性能薄弱等问题，总结了制备过程中的原位加工、镁合金焊丝设计、电弧成形精度控制与热处理优化等研究与现状。根据已有研究指出了电弧增材制造镁合金存在的瓶颈问题并提出该领域需要发展与改进的方向。从而更好为该领域的研究者提供有价值的信息与展望。

图1 不同电弧增材制造设备简图：(a)熔化极气体保护焊，(b)钨极气体保护焊，(c)等离子气体保护焊，(d)冷金属过渡焊，(e)不同制造工艺对比图

图2 镁合金电弧增材制造的氧化物和孔隙分布

图3 不同过程参数、路径与输入频率和打印模式的镁合金增材制造

图4 WAAM制造过程中热循环、热梯度和机械性能

图5 不同层厚度的热传导模式

图6 KGT模型和CET模型

图7 铸造AZ31和WAAM AZ31的腐蚀性能

图8 空冷和液氮冷却性能及设备

图 9 WAAM+层间FSP制造的示意图

图10 镁及镁合金的性能及应用

电弧增材制造受沉积高度的影响，其每一沉积层热传导效率相比与上一层均有较大的不同，由此会导致每一沉积层的外部尺寸发生改变。此外，由于熔滴不稳定性与每一层起/灭弧引发的热输入能量突变，由此累积的误差将最终引发沉积构件精度上的问题。因此，镁合金电弧增材制造工艺的稳定性和可重复性的问题成为高性能镁合金发展的主要障碍。而对增材制造技术来讲，热源是决定着成形、组织与性能最为关键的因素。而对于具有较窄凝固区间镁合金的来讲，镁合金的可成形工艺区间范围较小，因此对于每一沉积层的精心控制是至关重要的。因此WAAM的对电弧成形的精度控制将成为解决该问题的最为关键的方法之一。

图11 WAAM参数及熔池信息的在线监控-闭环控制系统

除了设备与过程参数的设计与优化，热处理对于解决组织、元素分布不均，改善各向异性行为的有效方法之一。对于电弧增材制造来讲，由于各部分受热循环程度不同，不同高度下的组织很可能处于平衡态与非平衡态之间，不同高度下微观组织对热处理的响应机制不同，由此会导致组织粗化、欠/过时效等现象，现有铸造、挤压、激光增材制造等技术的热处理制度可能难以适用电弧增材制造样品。因此，在未来通过实验与理论建立适用于电弧增材制造镁合金的热处理新制度也是高性能镁合金发展需要解决的关键问题之一。

图12 WAAM-AZ80M 合金在不同热处理条件下的OM，SEM，硬度以及拉伸性能

高性能镁合金正成为轻量化、绿色化、经济化的结构件的发展的需求之一。电弧增材制造因其自身的高沉积速率、高速冷却、极大的空间自由度，正逐渐成为制备低缺陷、高性能镁合金的制备的关键技术之一。电弧增材制造成形目前存在一大问题是精度问题，通常通过改变电弧参数可以一定程度上优化成形问题，但由于起弧、灭弧的高度不稳定，以及不断变化的热场会导致误差的不断积累，未来对于闭环控制系统的开发有助于提高电弧增材制造自动化程度，并降低制造成本、提高生产效率，为电弧增材制造镁合金产业化提供支持。此外，电弧增材制造镁合金因不同高度下的组织对同一热制度下的热处理响应程度不同，会导致组织粗化、欠\过时效等现象，目前针对不同组织形态分布定制化的热处理工艺还未有报道。因此，在未来开发出针对电弧增材制造镁合金的热处理手段与设备是解决该问题的关键技术之一。同时，也应当考虑能够利用电弧增材制造技术过程中的原位固溶与原位时效效应，通过进一步的研究与调控构件热历史，将沉积时的原位热处理作为代替传统热处理的手段，有望极大提升构件的生产效率与降低成本。

图13 电弧增材制造镁合金发展趋势