北航增材制造頂刊：揭示增材制造稀土鎂合金的顯微組織演變機(jī)理！

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

減重是航空航天工業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)追求的目標(biāo)。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化并采用更輕的鎂合金等材料可以實(shí)現(xiàn)航空器和航天器的大幅度結(jié)構(gòu)減重，是未來(lái)的發(fā)展方向之一。定向能量沉積增材制造技術(shù)不僅適合于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的柔性成形，也是制備高性能金屬材料的新方法。采用增材制造成形鎂合金構(gòu)件，不僅可以降低復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)成本，同時(shí)也可以開(kāi)發(fā)出新型高強(qiáng)鎂合金材料，充分發(fā)揮鎂合金的減重優(yōu)勢(shì)，拓寬鎂合金的應(yīng)用范圍。目前，開(kāi)發(fā)增材專(zhuān)用鎂合金材料并優(yōu)化增材制造鎂合金工藝參數(shù)仍是亟待解決的問(wèn)題。

北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室鄭冬冬博士、李卓副研究員（通訊作者）聯(lián)合上海交通大學(xué)輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心彭立明教授、吳玉娟研究員等，設(shè)計(jì)了增材制造專(zhuān)用Mg-Gd-Al-Zr系合金GA151K，并運(yùn)用多種材料學(xué)表征手段系統(tǒng)研究了激光定向能量沉積（laser-directed energy deposition，LDED）GA151K合金沉積過(guò)程中的顯微組織演變機(jī)理，分析了增材制造特有的小熔池快速冶金、非平衡快速凝固和熱循環(huán)（Thermal cycle）對(duì)GA151K合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。在此基礎(chǔ)上，本文總結(jié)了增材制造Mg-RE合金顯微組織演化的共性，討論了合金元素、增材制造工藝及參數(shù)對(duì)沉積態(tài)鎂稀土合金顯微組織的影響規(guī)律。上述研究成果以“Effect of multiple thermal cycles on the microstructure evolution of GA151K alloy fabricated by laser-directed energy deposition”為題目發(fā)表在增材制造頂刊Additive manufacturing上。

全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102957

沉積態(tài)GA151K合金樣品的最后幾層受到次數(shù)有限的、不完全的熱循環(huán)，顯微組織與下部分存在差異，稱(chēng)為非穩(wěn)態(tài)區(qū)（Unstable zone，UZ）；其余大部分受到完整的熱循環(huán)，稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)區(qū)（stable zone，SZ）。UZ和SZ之間的分界線對(duì)工藝敏感，可以通過(guò)表征顯微組織、模擬或檢測(cè)溫度場(chǎng)演變等方法獲知，在表1中假設(shè)其分界線Layer N-x。特別的，在UZ中，最頂層為直接凝固組織、未受到后續(xù)熱循環(huán)的影響，可以反映合金直接凝固組織的特點(diǎn)，稱(chēng)為T(mén)op layer（TL）或Layer N。分析TL和SZ兩區(qū)域的顯微組織差異，可以得出熱循環(huán)對(duì)顯微組織的影響規(guī)律，也是認(rèn)識(shí)激光定向能量沉積增材制造鎂合金微觀組織演變的基礎(chǔ)。

表1 增材制造鎂合金樣品的不同區(qū)域

TL部分直接凝固組織為細(xì)小的等軸晶，晶粒尺寸約10μm。經(jīng)過(guò)一次熱循環(huán)后，第二相含量顯著下降（降幅9.3±2.1%），晶粒尺寸略有增加（增幅1.4±1.0µm）。

圖1 a沉積態(tài)GA151K合金的金相照片、b-d不同位置的掃描電鏡像和e顯微組織形成過(guò)程示意圖

通過(guò)分析TL和SZ部分顯微組織差異可以獲知完整熱循環(huán)對(duì)顯微組織的影響。該影響可以從相變和原位熱處理兩個(gè)角度分析：

（1）熱循環(huán)-相變。如圖2所示，通過(guò)透射電鏡下的電子選區(qū)衍射分析，晶間相結(jié)構(gòu)由β1GB-Mg3Gd變?yōu)棣翯B-Mg5Gd。根據(jù)Mg-Gd相圖，該成分下的平衡晶間相為Mg5Gd，但增材過(guò)程中最先形成了非平衡相（或近平衡相）Mg3Gd。Mg3Gd的形成可以用相變驅(qū)動(dòng)力解釋?zhuān)涸诜瞧胶饽�固過(guò)程中，由于形核能壘的影響，吉布斯函數(shù)最低的相（Mg5Gd）很難直接形成；通常需要先形成一個(gè)形核能壘較小但吉布斯函數(shù)較高的相（Mg5Gd）再轉(zhuǎn)變?yōu)榧�布斯函�?shù)最低的相。同時(shí)，鎂晶粒內(nèi)部在熱循環(huán)影響下析出β′-Mg7Gd（圖3）。

（2）熱循環(huán)-原位熱處理。從熱處理角度分析，晶間相含量的大幅度下降稱(chēng)為原位固溶處理，β′-Mg7Gd的析出稱(chēng)為原位時(shí)效處理或原位沉淀硬化（in situ precipitation hardening）。原位固溶處理仍殘留很多晶間相，固溶不完全；而原位沉淀析出β′-Mg7Gd的數(shù)量面密度可達(dá)1.56×10-3nm-2，接近時(shí)效中期的鑄造Mg-Gd合金。同時(shí)，與TL相比，SZ的硬度提升了6.9±5.0HV�？梢�(jiàn)，原位沉淀硬化比原位固溶進(jìn)行的更充分，可以進(jìn)行深入研究。

圖2 TL和SZ區(qū)域晶間相的透射電鏡像和相應(yīng)的電子選區(qū)衍射花樣


圖3 TL（a，b）和SZ（c，d）區(qū)域α-Mg晶粒內(nèi)部的透射電鏡像和相應(yīng)的電子選區(qū)衍射花樣，SZ區(qū)可見(jiàn)大量納米析出相β′-Mg7Gd

為了獲得本文工藝下的顯微組織演變?nèi)�過(guò)程。作者對(duì)相變溫度進(jìn)行了討論。本文存在以下幾個(gè)關(guān)鍵相變溫度：液相線溫度TL，共晶轉(zhuǎn)變溫度Tβ.e.（~548℃），β′-Mg7Gd析出的上限和下限溫度Tβ′.up.（~360℃）和Tβ′.low.（200℃下，β′-Mg7Gd長(zhǎng)期穩(wěn)定，因此可以認(rèn)為T(mén)β′.low.為200℃）。通過(guò)增材制造在線監(jiān)測(cè)獲得溫度-時(shí)間曲線和理論溫度進(jìn)行比照，對(duì)增材制造過(guò)程中的相變行為進(jìn)行了推演，如圖4c所示。對(duì)于β′-Mg7Gd析出的關(guān)鍵位置、非穩(wěn)態(tài)區(qū)UZ和穩(wěn)態(tài)區(qū)SZ的分界位置，通過(guò)聚焦離子束和透射電鏡等表征手段進(jìn)行了進(jìn)一步的明確，如圖4b所示。在本文工藝下，β′-Mg7Gd最早出現(xiàn)在第二次熱循環(huán)過(guò)程中。第六次熱循環(huán)的最大溫度低于200℃，因此認(rèn)為第7層起為穩(wěn)態(tài)區(qū)，非穩(wěn)態(tài)區(qū)UZ為樣品最上方六層即Layer N至Layer N-5。通過(guò)對(duì)沉積成形-固態(tài)相變過(guò)程的分析可以發(fā)現(xiàn)，熱循環(huán)通過(guò)瞬時(shí)加熱冷卻的方式對(duì)相變產(chǎn)生影響，相變過(guò)程與工藝密切相關(guān)。

圖4 a溫度在線監(jiān)測(cè)曲線；b不同位置顯微組織的透射電鏡分析；c沉積過(guò)程中，溫度-時(shí)間和顯微組織對(duì)應(yīng)關(guān)系圖


圖5 逐層沉積過(guò)程中，晶粒、晶間相和納米析出相隨沉積過(guò)程變化的機(jī)理圖

原位析出納米沉淀相的現(xiàn)象在其他增材制造鎂合金相關(guān)報(bào)道中也有涉及：在激光粉末床熔化（LPFF）工藝制備的WE43中發(fā)現(xiàn)了β1-Mg3Nd，GZ112K中發(fā)現(xiàn)γ′，這些合金與本文成分差異較大，可見(jiàn)析出相的種類(lèi)與合金元素相關(guān)；而在LPBF-G10K中發(fā)現(xiàn)β1-Mg3Gd，該成分與本文類(lèi)似，可見(jiàn)析出相種類(lèi)與工藝相關(guān)�？梢灶A(yù)見(jiàn)，通過(guò)調(diào)控增材制造工藝參數(shù)和合金元素成分，可以實(shí)現(xiàn)原位沉淀硬化效果的最大化進(jìn)一步提高增材制造專(zhuān)用鎂稀土合金的硬度和強(qiáng)度。

本研究對(duì)Mg-Gd-Al-Zr合金在增材制造過(guò)程中的相變?nèi)�過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)研究，建立了LDED Mg-Gd合金的工藝參數(shù)、顯微組織和力學(xué)性能之間的關(guān)系，為增材制造專(zhuān)用鎂稀土合金成分和工藝設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本研究對(duì)于研發(fā)新型增材制造專(zhuān)用鎂合金材料，進(jìn)一步形成增材制造鎂合金構(gòu)件的控形控性方法具有重要的指導(dǎo)意義，有望促進(jìn)增材制造高性能鎂稀土合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

*本文由作者團(tuán)隊(duì)涂煜璇博士撰稿，感謝對(duì)本文的大力支持。