低温压缩气体冷却辅助的WA-DED工艺对AZ31镁合金微观组织和力学性能的影响

《Materials Characterization》：Effect of low-temperature compressed gas cooling assisted WA-DED on microstructures and mechanical properties of AZ31 Mg alloy

镁合金增材制造中提出低温压缩气体冷却辅助熔丝定向能量沉积工艺，相比传统空冷可缩短40%沉积时间，晶粒细化26-38%，纳米级Al8Mn5析出相提升强度至199MPa，断裂延伸率11.0%，协同晶界强化与析出强化机制突破水冷形状/尺寸限制，为高强高韧镁合金件制造提供新路径。

　　

杨一航|王灿|贾海龙|刘伟|马品魁|查敏|王慧媛

教育部汽车材料重点实验室 & 吉林大学材料科学与工程学院，南岭校区，人民大街5988号，长春130025，中国

摘要

为了克服传统水冷技术在镁（Mg）合金电弧定向能量沉积（WA-DED）过程中的缺点，本研究提出了一种采用低温压缩气体冷却（GC）辅助的WA-DED工艺，用于AZ31 Mg合金的制备。通过对GC和传统空气冷却（AC）条件下制备的薄壁组件的微观结构和力学性能进行对比研究，发现GC工艺可将总沉积时间缩短约40%，使平均晶粒尺寸细化26–38%，并显著降低基体织构强度。在GC条件下，由于快速冷却作用，组件中形成了纳米级的Al?Mn?沉淀相，而在AC条件下则没有这种现象。GC工艺显著提高了材料在沉积方向和垂直于沉积方向的屈服强度、抗拉强度和伸长率。AC条件下的组件屈服强度为87.0 ± 13.0 MPa，抗拉强度为178.5 ± 5.5 MPa，伸长率为8.5 ± 1.2%；而GC条件下的这些力学性能分别提升至102.5 ± 13.5 MPa、199.0 ± 1.0 MPa和10.95 ± 1.25%。这种强化机制依赖于晶界强化和Orowan沉淀强化的协同作用。该GC策略突破了水冷的形状/尺寸限制，为通过WA-DED技术制备高效高性能的Mg合金组件提供了新途径。

引言

镁（Mg）合金具有低密度、高比强度和优异的生物相容性，在航空航天、生物医学和汽车工程等领域具有广泛的应用潜力。增材制造（AM）技术为制备复杂的Mg合金组件提供了有效方法，其中电弧定向能量沉积（WA-DED）因Mg合金丝材的安全储存性和高沉积效率而受到广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，在长时间沉积过程中，WA-DED不可避免地会产生大量热量，导致Mg合金组件出现凝固缺陷、粗大柱状晶粒过度生长以及力学性能各向异性等问题[6]、[7]、[8]、[9]。这些问题已成为制约Mg合金组件微观结构细化和性能提升的关键瓶颈。

研究表明，控制沉积过程中的冷却条件是调节WA-DED组件微观结构和力学性能的重要手段[10]、[11]、[12]、[13]。例如，在Al–Si合金的WA-DED过程中实施层间快速冷却可以有效细化微观结构[14]。对WE43 Mg合金进行WA-DED时，基础冷却和旁路冷却可以减少热量积累，降低峰值温度，从而减少硬而脆的共晶相的数量，细化晶粒并提高力学性能[15]、[16]。此外，在AZ31 Mg合金沉积过程中使用基底液氮冷却可以促进纳米相的沉淀，细化晶粒，并提高强度和延展性[17]。然而，依赖基底冷却的方法对于大型组件和远离基底的沉积层效果有限，难以均匀调节整个组件的冷却行为。我们之前的研究也发现，侧壁水冷辅助的WA-DED工艺可以细化AZ31 Mg合金的晶粒并沉淀大量纳米相，从而显著改善力学性能[18]。由此可见，外部场冷却干预可以有效缓解WA-DED过程中的热量积累，调节微观结构和力学性能。

目前的研究主要集中在通过水冷板或基底进行热传导来调节微观结构和力学性能，但这种热传递方法受到组件形状和尺寸的严重限制。例如，侧壁水冷难以应用于弯曲形状的组件。此外，组件与冷却板之间的接触状态直接影响热传递效果，即接触不良会显著削弱冷却调节效果。针对上述问题，本研究创新性地提出了一种低温压缩气体冷却辅助的WA-DED工艺，以突破传统水冷在形状和热传递条件方面的限制。通过改善熔池的冷却行为，该方法进一步实现了微观结构的调控，从而提升了力学性能。本文比较了在传统空气冷却和低温压缩气体冷却条件下制备的两组薄壁组件的冷却行为、微观结构和力学性能。通过将实时热历史数据与多尺度微观结构表征相结合，揭示了不同冷却条件下晶粒细化、织构演变和沉淀行为的调控机制。此外，我们还定量阐明了这些微观结构变化对强度和延展性提升的贡献，为实现WA-DED Mg合金的定制化力学性能提供了工艺指导。

材料与方法

本研究使用的WA-DED系统包括Fronius CMT（TPS 400i）焊接电源、ABB IRB 2600机器人臂和低温压缩气体冷却装置。沉积材料为直径为1.2 mm的AZ31 Mg合金丝（Mg-2.7Al-0.7Zn-0.5Mn-0.1Sn-0.1Y），沉积参数为8 mm/s（行进速度）、100 A（电弧电流）和13.8 V（电弧电压）。薄壁组件的制备采用了这些参数。

AC和GC薄壁组件的热历史

如图2所示，使用红外温度计监测了AC和GC条件下沉积过程的热历史，选取了不同时间点的图像中的最高温度进行分析。为了控制变量并减少沉积过程中的热量积累，采用了层间冷却方案，即在每层沉积后让组件冷却至室温。两组曲线均经历了12次加热和冷却过程（对应于热循环）。

结论

本研究开发了一种低温压缩气体冷却（GC）辅助的WA-DED工艺，有效解决了AZ31 Mg合金沉积过程中的热量积累问题，突破了传统水冷方法的形状和尺寸限制。本研究结果为AM Mg合金的广泛应用奠定了基础。主要结论如下：

• (1)
  GC工艺避免了水冷依赖接触的热传递缺点，具有更高的灵活性

CRediT作者贡献声明

杨一航：撰写 – 原稿撰写、实验研究、数据分析。王灿：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、实验研究。贾海龙：撰写 – 审稿与编辑、研究指导、资金申请。刘伟：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计。马品魁：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、资金申请。查敏：数据可视化、资金申请。王慧媛：研究指导、项目管理、资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52334010和52771103）、吉林省科技发展计划（项目编号：20260205065GH）以及吉林省研究生研究创新能力提升项目（项目编号：JJKH20250101BS）的资助。