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导读

定量分析了WAAM加工Mg-Al基合金的凝固组织演变，研究了凝固组织与力学性能的相关性。其中一个重要的发现是，与熔池非平衡凝固条件相关的基织构弱化和组织细化使WAAM-GTAW处理的AZ31镁合金具有良好的力学性能和阻尼能力。该工作为进一步定制WAAM加工Mg- Al基合金的组织和性能提供了理论支持，并证明了WAAM工艺是制造集成化结构镁合金部件的一种有前途的方法。

随着现代航空航天和轨道交通工业的快速发展，迫切需要具有良好力学性能和阻尼能力的轻量化工程材料，既能实现减重，又能实现减振，有利于实现设备的高机动性和高精度。镁合金作为最轻的金属结构材料，具有良好的阻尼性能，在实现结构轻量化和减振方面具有重要的应用前景，受到了广泛关注。然而，其塑性成形性差，极大地限制了其工程应用。因此，亟需通过新的制造技术拓宽镁合金部件的应用空间。

近年来，金属增材制造已成为制造短工艺、高柔性高性能金属部件的重要手段，这为高性能镁合金部件的制造提供了一条新的途径。其中，电弧增材制造（WAAM）采用线材作为原料，可以有效解决镁合金加工性和延展性差的问题。此外，WAAM工艺成本相对较低、沉积效率高、成形空间自由，已然成为制造大型镁合金部件的一种很有前途的方法。在WAAM处理的Mg-Al基合金熔池凝固过程中，等轴晶主导组织形成的潜在机制仍有待定量阐明，这对于实现晶粒组织的精确控制具有重要意义。然而，对于WAAM加工镁合金的凝固组织特征、滑移和缠绕模式与力学性能之间的内在关系，目前还缺乏系统的研究。

基于此，重庆大学王敬丰教授课题组联合西北工业大学林鑫教授科研团队WAAM - GTAW（钨极气体保护焊）加工的AZ31镁合金为研究对象，旨在揭示WAAM加工Mg-Al基合金的凝固组织与凝固控制参数之间的定量关系，进一步系统阐明了凝固组织对滑移和缠绕方式、力学性能和阻尼能力的影响。相关研究成果以题为““Solidification microstructure evolution and its correlations with mechanical properties and damping capacities of Mg-Al-based alloy fabricated using wire and arc additive manufacturing”发表于期刊《Journal of Materials Science & Technology》。

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对于经WAAM-GTAW处理的AZ31镁合金，熔池凝固过程中枝晶生长方向的改变有效地削弱了基体织构。基于KGT和CET分析模型，建立了晶粒形貌与凝固控制参数之间的定量关系。结果表明，在WAAM-GTAW过程中，成核位点的数量密度大大增加，促进了等轴晶为主的组织形成。

与半连铸AZ31镁合金相比，经WAAM-GTAW处理的AZ31镁合金具有良好的力学性能和阻尼性能，其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别提高了~ 30%、~ 50%和~ 200%。这主要归因于其细小的等轴晶主导结构和较弱的基底织构，基底滑移施密德系数较高，以及WAAM-GTAW处理过程中热应力造成的位错密度较高。