一、研究背景

高强镁稀土（Mg-RE）合金，如Mg-9Gd-3Y-0.5Zr（GW93K）合金，因其优异的强度和抗蠕变性在航空航天等关键领域得到广泛应用。时效强化是这类合金的主要强化手段，基体中所形成的纳米级β′棱柱面沉淀相能有效阻碍位错和孪晶运动。目前，高RE含量Mg-Gd-Y-Zr合金的研究主要集中在铸造合金方面。但随着航空航天构件向大尺寸和复杂结构发展，传统的铸造、变形等方法已经很难满足要求，而Mg-RE合金的增材制造（AM）开始受到关注。与以粉体为原料的增材制造工艺相比，电弧熔丝增材制造（如WAAM）具有氧化物夹杂及气孔缺陷少、沉积效率高等优势，更适用于制造航空航天大型复杂构件。已有研究表明，WAAM制备的Mg合金的强度和塑性均优于铸造合金。然而，WAAM制备的Mg-RE合金的沉淀析出行为尚未探明，特别是与铸造合金之间的差异亟待阐明。

近日，上海交通大学轻合金研究所吴国华教授、童鑫助理研究员团队同太原科技大学白培康教授、中北大学赵占勇副教授等团队在镁合金领域顶刊Journal of Magnesium and Alloys上发表了题为"Exceptional mechanical properties of wire arc additive manufactured Mg-9Gd-3Y-0.5Zr alloy induced by promoted precipitation behavior"的研究成果。本研究重点研究了WAAM制造的 Mg-9Gd-3Y-0.5Zr (GW93K) 合金的时效析出行为，并将其与铸造合金进行了系统比较，这一工作让我们对增材制造重稀土镁合金的强化机制有了新的认识。

二、论文图片

图1. 铸态和沉积态 GW93K 合金的微观结构特征：（a、d）光学和（b、e）扫描电镜显微照片，

（c、f）上述扫描电镜显微照片所对应的 EDS 图

图2.（a）T4 处理前后沉积态和铸态 GW93K 合金的 XRD 图谱；（b）相应的扫描电镜显微照片

图3. 沉积态和铸态 GW93K 合金的 EBSD 结果：（a, d）晶粒形态；（b, e）KAM 图；（c, f）不同取向角的 GB 分布。

(g)和(h)显示了不同合金中具有不同取向差的 GB 的占比（%）

图4. GW93K 合金的机械性能：（a）T4 处理合金的时效硬化曲线；（b）拉伸性能；（c）拉伸强度和伸长率与其他合金的比较

图5. 用不同方法制备的峰值时效GW93K 合金的 TEM 组织：（a、b）分别为铸态合金和沉积态合金的 HAADF-STEM 图像和SAED 

图形(c) 沉积合金中沉淀物的 HRTEM 图像；(d) (c) 中方形区域的放大图，内嵌相应的 FFT 图；(e) 相应的 GPA 图

图6. 沉积态 GW93K 合金在不同时效阶段的TEM 图像：（a，d）欠失效；（b，e）峰值时效；（c，f）过时效；

（g）和（h）分别是峰值时效和过时效下析出相的EDS图谱

图7. 铸态和沉积态GW93K 合金中沉淀行为的示意图

三、关键结论

这项研究系统地比较了铸造和 WAAM 成形的 GW93K 合金之间的差异。结果表明，WAAM 成形的合金具有更高的抗拉强度和伸长率。通过比较两组合金在峰值时效状态下的组织结构，发现除了晶粒细化外，沉积过程中形成的位错堆积诱导了细小均匀的稀土强化相高密度析出，这是 WAAM 样品具有高性能的重要原因。通过对比沉积态合金在不同时效状态下的析出行为发现，在过时效状态下，那些亚稳的β′ 相之间的交界处会形成新的析出相 βM。

四、通讯作者

吴国华，博士/上海交通大学特聘教授，国家技术发明奖一等奖获得者，国务院政府特殊津贴专家，国家基础加强重点计划首席科学家，上海市领军人才。轻合金精密成型国家工程研究中心副主任。兼任中国镁合金专业委员会副理事长、中国铸造学会副理事长、航天先进材料与应用技术联合实验室主任。已主持国家基础加强重点计划、国家863计划、前沿创新特区计划、国家973计划课题、国家航空航天重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目60余项。科研成果在多个国家重大航天与航空专项中获得应用，获国家及省部级科技奖励11项。余篇，已授权国家发明专利100余项。主要研究方向为：高性能轻合金材料开发与成形。

童鑫，博士/上海交通大学助理研究员，主要从事高性能镁合金材料开发及液态成型技术研究。主持上海航天基金、上海交通大学新进教师启动计划等项目3项，参与国家基础加强重点计划、国家自然科学基金联合基金等项目多项。在Scripta Mater、Addit Manuf、J Mater Sci Technol、J Magnes Alloy等期刊发表论文60余篇，一作/通讯20余篇。申请国防专利和国家发明专利20余项，授权16项。

五、论文引用

Junmin Zhan, Guohua Wu, Xin Tong, Fangzhou Qi, Qiman Wang, Rui Jiang, Youjie Guo, Zhanyong Zhao, Peikang Bai. Exceptional mechanical properties of wire arc additive manufactured Mg-9Gd-3Y-0.5Zr alloy induced by promoted precipitation behavior: Journal of Magnesium and Alloys(2024).

DOI:10.1016/j.jma.2024.01.027