等离子线弧增材制造技术：制备具有高微观结构致密度和较少缺陷的Mg-RE合金

《Journal of Alloys and Compounds》：A Plasma wire-arc additive manufacturing Technology: Fabricating Mg-RE Alloy with High Microstructural Compactness and Few Defects

采用等离子体 wire arc additive manufacturing（P-WAAM）技术制备Mg-Nd-Zn-Zr合金部件，解决了传统铸造中低致密度和缺陷问题，通过多维度尺度分析发现其体积孔隙率低至0.0596‰，晶粒尺寸均匀（<10μm），析出相均匀分布，表面硬度高于核心，水平方向力学性能优于垂直方向，表现出优异的强韧性配合。

　　

陶王|辛曹|明亮|冯中|徐成|林皮|刘艳辉|何琴|陈宝林|薛亮亮|葛小哲|高书堂|徐启民|李建峰

中国西北有色金属研究院，西安，710016

摘要

针对目前电弧增材制造技术制备的镁合金存在微观结构致密度低和众多结构缺陷（如气孔和熔合不完全）的问题，本研究采用等离子电弧增材制造（P-WAAM）工艺——以高能量密度的等离子体作为热源——来制备Mg-RE（Mg-Nd-Zn-Zr）合金部件。从多个维度和尺度研究了制备合金的微观结构和力学性能。结果表明，通过P-WAAM工艺可以获得形状精度高、微观结构致密度高的Mg-Nd-Zn-Zr合金部件，其体积孔隙率为0.0596‰。制备合金的晶粒尺寸相对均匀，为等轴晶，平均晶粒尺寸小于10 μm。在晶界和晶粒内部观察到了大量白色沉淀物，这些沉淀物主要是Mg??(Nd, Zn)?三元固溶相。从维氏硬度来看，制备合金表面和边缘的硬度高于核心部分。同时，水平方向的抗拉强度（UTS）、屈服强度（YS）和延伸率（El）分别为219.43 MPa、128.96 MPa和18.6%，高于垂直方向的结果。通过P-WAAM工艺制备的Mg-Nd-Zn-Zr合金表现出优异的强度和延展性组合，这主要归因于微观缺陷极少、结构致密度高、晶粒细小以及沉淀物分布均匀的协同效应。

引言

Mg-Nd-Zn-Zr合金（重量百分比，ZM6）作为一种典型的Mg-RE镁合金，与传统镁合金（如AZ、AM系列）相比，具有优异的蠕变抗力和高温强度、良好的铸造流动性和耐腐蚀性[1]、[2]、[3]、[4]。这些特性使其广泛应用于制造需要高强度和高气密性的飞机发动机壳体、整流器舱、变速箱外壳等复杂关键部件。然而，使用传统铸造方法生产这类部件时，不可避免地会产生缩孔、缩陷和粗晶等固有缺陷，这些缺陷限制了部件性能的进一步提高和设计自由度[5]、[6]。

近年来，快速发展的电弧增材制造（WAAM）技术为上述问题提供了非常有前景的解决方案。WAAM技术利用电弧熔化金属丝，并通过逐层沉积直接形成三维金属部件[7]。因此，它引起了研究人员的关注，并被应用于高性能Mg-RE镁合金部件的制造[8]、[9]、[10]。Shi等人使用冷金属转移电弧增材制造（CMT-WAAM）技术制备了Mg-2.4Nd-0.3Zn-0.6Zr（ZM6，重量百分比）合金的薄壁部件，发现该薄壁镁合金具有良好的成形性，表面没有明显缺陷。由于热循环的影响，薄壁部分沿沉积方向呈现出粗细晶粒交替的层状结构[11]。Yang等人通过WAAM技术制备了Mg-2.8Nd-0.5Zn-0.4Zr（NZ30K）合金的薄壁结构，结果表明沉积参数对NZ30K合金薄壁结构的宏观形态、几何特性和冶金结合有显著影响，不适当的参数可能导致各种类型的宏观或微观缺陷[12]。Wu等人使用钨惰性气体（TIG）基电弧定向能量沉积（WA-DED）技术并调整脉冲电流，制备了Mg-Nd-Zn-Zr合金的薄壁样品，发现通过调节脉冲电流频率可以调控合金的微观结构并改善其力学性能[13]。根据当前的研究进展[14]、[15]、[16]、[17]，WAAM技术为Mg-RE镁合金（包括Mg-Nd-Zn-Zr合金）的制备带来了新的可能性，可以有效解决传统铸造方法存在的问题，并获得细小均匀的微观结构，从而进一步提高合金的强度。然而，WAAM技术也存在一些问题。首先，电弧容易发散，热量输入大，熔池较大且难以控制，导致部件产生较大的残余应力和严重变形；其次，电弧容易受到环境干扰，工艺参数（如电流、行走速度）的匹配窗口较窄，参数不当容易导致成形几何精度下降、层间熔合不良或产生微观孔洞，从而影响部件的致密度。

为了寻求精度更高、内部质量更好的WAAM解决方案，等离子电弧增材制造（P-WAAM）技术显示出独特的潜力。等离子电弧是通过压缩电弧获得的，具有能量密度高和稳定性优异的特点。与TIG和CMT等WAAM技术相比，P-WAAM在制备Mg-Nd-Zn-Zr合金时可能具有以下优势[18]、[19]、[20]、[21]、[22]：①高能量密度和集中的热源可产生更小的熔池，从而获得更细的沉积通道和更好的尺寸控制；稳定的电弧和可控的热量输入有助于减少飞溅和烟尘，这对活性镁合金尤为重要，有望进一步提高沉积层的纯度和表面质量；②等离子电弧对熔池的穿透和搅拌作用更强，有利于排出气体并促进液态金属的流动填充，有效抑制气孔和熔合不良缺陷的形成，使沉积层的致密程度接近锻造部件。当然，P-WAAM技术本身也面临一些挑战，例如其工艺参数系统较为复杂，合理的参数范围需要仔细探索，目前关于镁合金（尤其是Mg-Nd-Zn-Zr合金）的P-WAAM工艺的研究仍处于起步阶段，相关数据和理论模型也较为缺乏。

总之，开发一种能够制备具有致密结构和可控缺陷的高性能Mg-Nd-Zn-Zr合金部件的新增材制造技术具有重要的理论价值和工程意义。本研究聚焦于等离子电弧增材制造（P-WAAM）技术，对其制备Mg-Nd-Zn-Zr合金的工艺特性进行了系统研究。以“工艺参数 - 微观结构 - 力学性能”为核心线索，从不同维度和尺度探讨了P-WAAM制备的Mg-Nd-Zn-Zr合金零件的微观结构和力学性能特征，旨在为大规模复杂高性能镁合金部件的直接制造提供新的技术解决方案和理论基础。

实验步骤

在本研究中，使用直径为1.6±0.1毫米的Mg-Nd-Zn-Zr（ZM6）镁合金丝作为原料，通过等离子电弧增材制造技术（P-WAAM）制备ZM6镁合金。ZM6镁合金丝由中国镁业高镁诺贝尔奖（潼川）新材料有限公司提供。合金的具体化学成分见表1。P-WAAM工艺的示意图如图1a所示。

微观结构致密度

图2所示的三维重构XCT图像显示了P-WAAM样品边缘区域缺陷的空间分布和特征。由于沉积坯料的边缘区域受熔池热量和基底加热的影响较小，且微观结构的冷却速度较快，同时边缘位置通常被用作P-WAAM沉积的起始和结束位置，因此容易产生缺陷。

P-WAAM下的微观结构特征

接下来，通过EBSD和TEM进一步讨论了P-WAAM制备样品的微观结构特征。

图10中的EBSD结果展示了沉积坯料核心部分水平和垂直截面的微观结构特征，包括晶粒取向、织构和孪晶分布。具体来说，图10a-c展示了垂直截面的EBSD结果，而图10d-f对应于水平截面的结果。

结论

在本研究中，利用等离子体作为热源，通过等离子电弧增材制造（P-WAAM）技术制备了大尺寸和厚截面的Mg-Nd-Zn-Zr合金坯料。结合P-WAAM工艺的特点，从不同维度和尺度系统研究了沉积坯料的微观结构和力学性能，并分析了微观结构对力学性能的影响。具体结论如下：

作者贡献声明

徐成：研究工作。林皮：监督指导。刘艳辉：数据验证。何琴：数据分析。陈宝林：结果可视化。薛亮亮：监督指导。葛小哲：数据验证。高书堂：写作 – 审稿与编辑。陶王：初稿撰写、研究工作、数据分析。徐启民：写作 – 审稿与编辑。辛曹：方法学设计、研究工作。李建峰：资源协调。明亮：写作 – 审稿与编辑、资金争取。冯中：数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本文的研究得到了陕西省科技厅高层次人才项目（项目编号QCYPCXM-2023-138、QCYPCXM-2023-139）、陕西省自然科学基金（项目编号2024JC-YBQN-0520）、陕西省财政厅功能材料专项项目（项目编号1301YC2310）以及陕西省新材料实验室项目（项目编号2024ZY-JCYJ-04-13）的财政支持。