高強(qiáng)度鎂（Mg）合金在包括航空航天和汽車(chē)應(yīng)用等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)于制造輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件來(lái)說(shuō)是非常理想的材料。然而，鎂合金在宏觀尺度上面臨著塑性有限的問(wèn)題，這主要是因?yàn)槠涿芘帕剑℉CP）結(jié)構(gòu)，在室溫下通常只有三個(gè)基面滑移系能夠被激活。

“3D Science Valley 白皮書(shū) 圖文解析

為解決這些塑性方面的限制，人們提出了一種固溶強(qiáng)化與增韌（SSSD）策略。通過(guò)引入特定的合金元素，可以降低基面和非基面之間的滑移阻力，促進(jìn)非基面滑移系的激活，從而提高塑性。諸如鈣（Ca）、鉺（Er）、釤（Sm）、釓（Gd）和釔（Y）等合金元素，在降低本征層錯(cuò)能（SFE）和棱柱面滑移系的非穩(wěn)定滑移能方面已顯示出良好的前景，有助于激活棱柱面和錐面滑移模式。

然而，鎂合金中通常使用的合金元素，如鋁（Al）和鋅（Zn）（尤其是在廣泛使用的AZ系列中），在降低錐面上位錯(cuò)滑移的能壘方面效果有限。因此，迫切需要提出一種能適應(yīng)更廣泛合金元素的通用增韌策略。

最近，有研究提出一種前景策略，即通過(guò)溶質(zhì)在晶界的偏析來(lái)提高鎂合金的塑性。溶質(zhì)在晶界的偏析可以減輕應(yīng)變不相容性，減少晶間斷裂并提高塑性。此外，溶質(zhì)偏析會(huì)產(chǎn)生溶質(zhì)釘扎效應(yīng)，阻礙晶界遷移并限制位錯(cuò)滑移，從而提高強(qiáng)度。

【成果速覽】

本研究中，南方科技大學(xué)逯文君副教授課題組采用極惰性氣體鎢保護(hù)（TIG）電弧增材制造（WAAM）工藝，制備了織構(gòu)較弱、具有等軸晶粒結(jié)構(gòu)的AZ91D鎂合金，該合金的極限抗拉強(qiáng)度達(dá)到284MPa，均勻伸長(zhǎng)率為12.5%，這得益于其增強(qiáng)的加工硬化能力。

優(yōu)化的凝固條件使溶質(zhì)原子處于過(guò)飽和狀態(tài)“凍結(jié)”，抑制擴(kuò)散與析出，導(dǎo)致溶質(zhì)分布不均勻。較高的Al溶質(zhì)濃度抑制了孿晶擴(kuò)展，促使形成細(xì)化的孿晶片層，這些細(xì)小孿晶與位錯(cuò)之間的相互作用對(duì)提高加工硬化能力起著關(guān)鍵作用。

此外，鋁溶質(zhì)原子的梯度分布，以及Al/Zn在晶界的偏析，有效地弱化了織構(gòu)，從而保持了WAAM-AZ91D合金的力學(xué)各向同性。而且，從晶界向晶內(nèi)延伸的固溶鋁原子的梯度分布形成了硬度梯度，有效緩解了變形過(guò)程中晶界處的應(yīng)力集中，使WAAM-AZ91D合金能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的塑性變形。這項(xiàng)工作拓展了免后處理短流程制備技術(shù)的應(yīng)用，將其作為快速生產(chǎn)高性能Mg合金的有效策略，拓寬了鎂合金的應(yīng)用范圍。

相關(guān) 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 」為題刊登在International Journal of Plasticity 上。

【創(chuàng)新點(diǎn)】

? 采用電弧增材制造（WAAM）工藝制備的AZ91D鎂合金展現(xiàn)出令人矚目的性能，其極限抗拉強(qiáng)度達(dá)到284MPa，均勻延伸率為12.5%，同時(shí)應(yīng)變硬化能力得到增強(qiáng)，變形協(xié)調(diào)性也有所改善。

? 電弧增材制造過(guò)程中的非平衡凝固使溶質(zhì)原子“凍結(jié)”，形成濃度梯度，降低了應(yīng)力集中，并促進(jìn)了均勻的塑性變形。

? 升高的鋁溶質(zhì)濃度通過(guò)抑制孿晶擴(kuò)展使孿晶片層得到細(xì)化，從而促進(jìn)位錯(cuò)與孿晶之間的相互作用，進(jìn)而增強(qiáng)加工硬化。

【數(shù)據(jù)概況】

圖1.a WAAM制備的AZ91D鎂合金和鑄態(tài)AZ91D鎂合金的X射線衍射（XRD）圖像。 b a中(101)衍射峰的放大視圖。c-d-e 鑄態(tài)AZ91D鎂合金以及WAAM制備的AZ91D鎂合金在TD和BD的反極圖（IPF）。f-g-h 鑄態(tài)AZ91D鎂合金以及WAAM制備的AZ91D鎂合金在TD和BD的極圖。i-j-k 鑄態(tài)AZ91D鎂合金以及WAAM制備的AZ91D鎂合金在TD和BD的相圖。TD：橫向；BD：成型方向。

圖2.a 鑄態(tài)AZ91D鎂合金的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像以及相應(yīng)的能譜分析（EDS）結(jié)果。b WAAM制備的AZ91D鎂合金的SEM圖像以及相應(yīng)的EDS結(jié)果。c 晶界的高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像。 d 與c相對(duì)應(yīng)的EDS圖譜。 e 在c中晶界處的元素線掃描結(jié)果。f 晶界的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。 g 基于f通過(guò)幾何相位分析（GPA）得到的原子應(yīng)變映射圖。εyy表示垂直法向應(yīng)變。

圖3.a Mg??Al??Zn的HAADF-STEM圖像。 b 與a相對(duì)應(yīng)的EDS結(jié)果。c Mg??Al??Zn的HRTEM圖像。d Mg??Al??Zn的快速傅里葉變換（FFT）圖像。e Mg??Al??Zn的模擬HRTEM圖像。f Mg??Al??Zn的模擬FFT圖像。g Mg??Al??Zn與鎂基體之間界面的HRTEM圖像。h-i-j Mg??Al??Zn、鎂基體、Mg??Al??Zn/鎂基體界面的FFT圖像。k-l 對(duì)應(yīng)于鎂基體和Mg??Al??Zn析出相的平行平面的立體極圖。

圖4.a 增材打印態(tài)和鑄態(tài)AZ91D鎂合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b 與a相對(duì)應(yīng)的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線以及加工硬化速率-真實(shí)應(yīng)變曲線。c 本研究中增材打印態(tài)AZ91D鎂合金的斷裂應(yīng)力與均勻延伸率（UE），與先前報(bào)道的激光粉末床熔融（LBPF）制備、WAAM制備、鑄態(tài)以及變形態(tài)鎂合金的對(duì)比情況。

圖5.a 通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）分析得到的鑄態(tài)AZ91D樣品中典型的局部應(yīng)變分布情況。具有代表性的EBSD圖像展示了隨著局部應(yīng)變值增加時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)演變，b-c 局部應(yīng)變約為6% ；d-e 局部應(yīng)變約為13% 。

圖6.WAAM制備的和鑄態(tài)AZ91D合金的納米壓痕測(cè)試結(jié)果。a-e 電弧增材制造的AZ91D合金：a 在晶界附近制作的納米壓痕壓痕的SEM圖像。 b 納米硬度等高線圖。 c-d 晶界和晶粒內(nèi)部具有代表性的載荷-位移曲線。e 納米硬度分布情況和分類(lèi)。f-j 鑄態(tài)AZ91D合金：f 晶界附近納米壓痕壓痕的SEM圖像。g 納米硬度等高線圖。h-i 鎂相和Mg??(Al,Zn)??相具有代表性的載荷-位移曲線。j 納米硬度分布情況和分類(lèi)。

【結(jié)論展望】

本研究中，通過(guò)WAAM成功制備出具有均勻等軸晶粒結(jié)構(gòu)以及過(guò)飽和溶質(zhì)非均勻分布的AZ91D鎂合金?；诖罅康牧W(xué)性能測(cè)試和詳細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）通過(guò)在鎢極惰性氣體保護(hù)的電弧增材制造工藝中采用精確的熱管理，在AZ91D鎂合金中實(shí)現(xiàn)了具有弱晶體織構(gòu)的均勻等軸晶粒結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)使得該合金具有令人矚目的284MPa的斷裂應(yīng)力和12.5%的均勻伸長(zhǎng)率，這歸因于增強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力和改善的變形協(xié)調(diào)性。

（2）在變形過(guò)程中，較高的鋁溶質(zhì)濃度有效地抑制了孿晶擴(kuò)展，從而形成了細(xì)化的孿晶片層。這些細(xì)小孿晶與位錯(cuò)之間的相互作用對(duì)提高合金的加工硬化能力起到了重要作用。

（3）電弧增材制造工藝固有的高冷卻速率有效地將溶質(zhì)原子保留在非平衡狀態(tài)，導(dǎo)致鋁原子在晶粒內(nèi)呈梯度分布，并且鋁/鋅在晶界處發(fā)生偏析。這種溶質(zhì)分布弱化了織構(gòu)，并促進(jìn)了電弧增材制造的AZ91D合金的力學(xué)各向同性。

（4）在較高應(yīng)變下，條狀Mg??Al??Zn析出相內(nèi)出現(xiàn)的{10-11}-{10-12}二次孿晶和微裂紋被確定為電弧增材制造的AZ91D合金失效的主要原因。這些特征表明，需要進(jìn)一步開(kāi)展研究來(lái)抑制二次孿晶和析出相誘發(fā)的裂紋，以便進(jìn)一步提高電弧增材制造的鎂合金的力學(xué)性能。

總之，本研究表明，電弧增材制造是一種可行且有效的高性能鎂合金短流程制備方法。均勻的等軸微觀結(jié)構(gòu)、溶質(zhì)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械孿晶以及緩解應(yīng)力的硬度梯度相結(jié)合，使得電弧增材制造的AZ91D合金具有優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性。在工藝控制和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)一步改進(jìn)，將是實(shí)現(xiàn)適用于工業(yè)應(yīng)用的更高性能鎂合金的關(guān)鍵。

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

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