南科大 l 电弧增材制造增强AZ91D镁合金的力学性能，快速凝固和溶质偏析对组织及变形行为的影响

高强度镁（Mg）合金在包括航空航天和汽车应用等各个工业领域中，对于制造轻质结构部件来说是非常理想的材料。然而，镁合金在宏观尺度上面临着塑性有限的问题，这主要是因为其密排六方（HCP）结构，在室温下通常只有三个基面滑移系能够被激活。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

为解决这些塑性方面的限制，人们提出了一种固溶强化与增韧（SSSD）策略。通过引入特定的合金元素，可以降低基面和非基面之间的滑移阻力，促进非基面滑移系的激活，从而提高塑性。诸如钙（Ca）、铒（Er）、钐（Sm）、钆（Gd）和钇（Y）等合金元素，在降低本征层错能（SFE）和棱柱面滑移系的非稳定滑移能方面已显示出良好的前景，有助于激活棱柱面和锥面滑移模式。

然而，镁合金中通常使用的合金元素，如铝（Al）和锌（Zn）（尤其是在广泛使用的AZ系列中），在降低锥面上位错滑移的能垒方面效果有限。因此，迫切需要提出一种能适应更广泛合金元素的通用增韧策略。

最近，有研究提出一种前景策略，即通过溶质在晶界的偏析来提高镁合金的塑性。溶质在晶界的偏析可以减轻应变不相容性，减少晶间断裂并提高塑性。此外，溶质偏析会产生溶质钉扎效应，阻碍晶界迁移并限制位错滑移，从而提高强度。

【成果速览】

本研究中，南方科技大学逯文君副教授课题组采用极惰性气体钨保护（TIG）电弧增材制造（WAAM）工艺，制备了织构较弱、具有等轴晶粒结构的AZ91D镁合金，该合金的极限抗拉强度达到284MPa，均匀伸长率为12.5%，这得益于其增强的加工硬化能力。

优化的凝固条件使溶质原子处于过饱和状态“冻结”，抑制扩散与析出，导致溶质分布不均匀。较高的Al溶质浓度抑制了孪晶扩展，促使形成细化的孪晶片层，这些细小孪晶与位错之间的相互作用对提高加工硬化能力起着关键作用。

此外，铝溶质原子的梯度分布，以及Al/Zn在晶界的偏析，有效地弱化了织构，从而保持了WAAM-AZ91D合金的力学各向同性。而且，从晶界向晶内延伸的固溶铝原子的梯度分布形成了硬度梯度，有效缓解了变形过程中晶界处的应力集中，使WAAM-AZ91D合金能够实现均匀的塑性变形。这项工作拓展了免后处理短流程制备技术的应用，将其作为快速生产高性能Mg合金的有效策略，拓宽了镁合金的应用范围。

相关 成果 以「Enhancement of mechanical properties in AZ91D magnesium alloy via wire arc additive manufacturing: influence of rapid solidification and solute segregation on microstructure and deformation behavior 」为题刊登在International Journal of Plasticity 上。

【创新点】

• 采用电弧增材制造（WAAM）工艺制备的AZ91D镁合金展现出令人瞩目的性能，其极限抗拉强度达到284MPa，均匀延伸率为12.5%，同时应变硬化能力得到增强，变形协调性也有所改善。

• 电弧增材制造过程中的非平衡凝固使溶质原子“冻结”，形成浓度梯度，降低了应力集中，并促进了均匀的塑性变形。

• 升高的铝溶质浓度通过抑制孪晶扩展使孪晶片层得到细化，从而促进位错与孪晶之间的相互作用，进而增强加工硬化。

【数据概况】

图1.a WAAM制备的AZ91D镁合金和铸态AZ91D镁合金的X射线衍射（XRD）图像。 b a中(101)衍射峰的放大视图。c-d-e 铸态AZ91D镁合金以及WAAM制备的AZ91D镁合金在TD和BD的反极图（IPF）。f-g-h 铸态AZ91D镁合金以及WAAM制备的AZ91D镁合金在TD和BD的极图。i-j-k 铸态AZ91D镁合金以及WAAM制备的AZ91D镁合金在TD和BD的相图。TD：横向；BD：成型方向。

图2.a 铸态AZ91D镁合金的扫描电子显微镜（SEM）图像以及相应的能谱分析（EDS）结果。b WAAM制备的AZ91D镁合金的SEM图像以及相应的EDS结果。c 晶界的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。 d 与c相对应的EDS图谱。 e 在c中晶界处的元素线扫描结果。f 晶界的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。 g 基于f通过几何相位分析（GPA）得到的原子应变映射图。εyy表示垂直法向应变。

图3.a Mg₁₆Al₁₂Zn的HAADF-STEM图像。 b 与a相对应的EDS结果。c Mg₁₆Al₁₂Zn的HRTEM图像。d Mg₁₆Al₁₂Zn的快速傅里叶变换（FFT）图像。e Mg₁₆Al₁₂Zn的模拟HRTEM图像。f Mg₁₆Al₁₂Zn的模拟FFT图像。g Mg₁₆Al₁₂Zn与镁基体之间界面的HRTEM图像。h-i-j Mg₁₆Al₁₂Zn、镁基体、Mg₁₆Al₁₂Zn/镁基体界面的FFT图像。k-l 对应于镁基体和Mg₁₆Al₁₂Zn析出相的平行平面的立体极图。

图4.a 增材打印态和铸态AZ91D镁合金的工程应力-应变曲线。b 与a相对应的真实应力-真实应变曲线以及加工硬化速率-真实应变曲线。c 本研究中增材打印态AZ91D镁合金的断裂应力与均匀延伸率（UE），与先前报道的激光粉末床熔融（LBPF）制备、WAAM制备、铸态以及变形态镁合金的对比情况。

图5.a 通过数字图像相关（DIC）分析得到的铸态AZ91D样品中典型的局部应变分布情况。具有代表性的EBSD图像展示了随着局部应变值增加时的微观结构演变，b-c 局部应变约为6% ；d-e 局部应变约为13% 。

图6.WAAM制备的和铸态AZ91D合金的纳米压痕测试结果。a-e 电弧增材制造的AZ91D合金：a 在晶界附近制作的纳米压痕压痕的SEM图像。 b 纳米硬度等高线图。 c-d 晶界和晶粒内部具有代表性的载荷-位移曲线。e 纳米硬度分布情况和分类。f-j 铸态AZ91D合金：f 晶界附近纳米压痕压痕的SEM图像。g 纳米硬度等高线图。h-i 镁相和Mg₁₇(Al,Zn)₁₂相具有代表性的载荷-位移曲线。j 纳米硬度分布情况和分类。

【结论展望】

本研究中，通过WAAM成功制备出具有均匀等轴晶粒结构以及过饱和溶质非均匀分布的AZ91D镁合金。基于大量的力学性能测试和详细的微观结构分析，得出以下主要结论：

（1）通过在钨极惰性气体保护的电弧增材制造工艺中采用精确的热管理，在AZ91D镁合金中实现了具有弱晶体织构的均匀等轴晶粒结构。这种独特的微观结构使得该合金具有令人瞩目的284MPa的断裂应力和12.5%的均匀伸长率，这归因于增强的应变硬化能力和改善的变形协调性。

（2）在变形过程中，较高的铝溶质浓度有效地抑制了孪晶扩展，从而形成了细化的孪晶片层。这些细小孪晶与位错之间的相互作用对提高合金的加工硬化能力起到了重要作用。

（3）电弧增材制造工艺固有的高冷却速率有效地将溶质原子保留在非平衡状态，导致铝原子在晶粒内呈梯度分布，并且铝/锌在晶界处发生偏析。这种溶质分布弱化了织构，并促进了电弧增材制造的AZ91D合金的力学各向同性。

（4）在较高应变下，条状Mg₁₆Al₁₂Zn析出相内出现的{10-11}-{10-12}二次孪晶和微裂纹被确定为电弧增材制造的AZ91D合金失效的主要原因。这些特征表明，需要进一步开展研究来抑制二次孪晶和析出相诱发的裂纹，以便进一步提高电弧增材制造的镁合金的力学性能。

总之，本研究表明，电弧增材制造是一种可行且有效的高性能镁合金短流程制备方法。均匀的等轴微观结构、溶质驱动的机械孪晶以及缓解应力的硬度梯度相结合，使得电弧增材制造的AZ91D合金具有优异的强度和延展性。在工艺控制和微观结构设计方面的进一步改进，将是实现适用于工业应用的更高性能镁合金的关键。

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2025.104376

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