通过电弧增材制造（WAAM）制备大型镁（Mg）合金零件在汽车和航空航天领域具有广阔的应用前景。镁合金丝的化学成分在决定WAAM镁合金的机械性能方面起着至关重要的作用。然而，为了提高机械性能，用于WAAM的镁合金丝的类型需要扩展。

近日，吉林大学管志平教授、贾海龙副教授团队在《Journal of Magnesium and Alloys》（中科院1区，Top，影响因子17.6）期刊发表最新研究成果“Wire arc additive manufacturing of a novel ATZM31 Mg alloy: Microstructure evolution and mechanical properties”，制备了一种新型ATZM31镁合金丝并将其应用于冷金属转移（CMT）-WAAM工艺。管志平教授和贾海龙副教授为共同通讯作者。

该研究的重点是了解WAAM制造的ATZM31合金薄壁部件的成形质量、微观结构演变和机械性能。结果表明，镁合金薄壁件具有良好的成形性能，侧壁粗糙度较小。ATZM31薄壁构件主要由柱状枝晶和等轴枝晶的α-Mg相组成，η-Al8Mn5相弥散分布在晶界处。根据SEM图像的统计分析，估计η-Al8Mn5相的面积分数约为0.21%。由于不同的冷却行为，晶粒尺寸沿薄壁部件成型方向的分布是不均匀的。ATZM31合金薄壁部件底部、中部和顶部的平均晶粒尺寸分别为~46µm、~74µm和~61µm。ATZM31合金薄壁构件从基体到顶部，硬度逐渐降低。沿沉积方向和构建方向的极限拉伸强度分别为~225MPa和~214MPa，没有明显的各向异性。WAAM制造的ATZM31合金薄壁部件表现出与锻造AZ31镁合金相当的极限拉伸强度，并且比锻造镁合金具有更弱的各向异性。

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图1. (a)15层ATZM31镁合金薄壁构件的宏观形貌，(b)构件截面图，(c)截面宽度波动图。

图2.（a-c）ATZM31镁合金薄壁部件的SEM图像，（d）不同区域第二相和晶体形貌的演变。(a) 底部区域，(b) 中间区域，(c) 顶部区域。

图 3. (a-c) EBSD 反极图 (IPF) 图，(d) 温度随时间的变化，以及 (e-g) 薄壁部件的晶粒尺寸分布。(a,e) 底部区域，(b,f) 中间区域，(c,g) 顶部区域。

关键结论

一种具有良好成形质量和机械性能的新型ATZM31镁合金丝已应用于CMT-WAAM。对镁合金薄壁构件的成形质量、显微组织和力学性能进行了系统分析。可以得出以下结论：

(1) 使用ATZM31镁合金丝，通过CMT-WAAM可以获得具有良好成形质量和较小侧壁粗糙度的薄壁部件。

(2) 由于Al-Mn具有较大的负混合焓，ATZM31镁合金薄壁构件在CMT-WAAM快速冷却过程中形成了η-Al8Mn5相，该相在BR、MR和TR中表现出相对均匀的分布。

(3) 在CMT-WAAM过程中多次热量积累的影响下，层间形成了更细小的等轴晶，而内层则以枝晶为主。与MR和TR相比，BR的晶粒尺寸更小，这是由于更高的冷却速率和更小的温度梯度。随着沉积高度的增加，熔池冷却速率逐渐降低，温度梯度增大，导致TR中出现粗大的柱状晶。

(4) 薄壁组件的纹理沿构建方向表现出强烈的分裂特征，BR、MR和TR的(0001)极图中的最大纹理密度分别为5.14mrd、9.28mrd和9.89mrd。(0001)极图中的最大织构强度随着沉积高度的增加而逐渐增加，这归因于粗大柱状晶数量的增加。

(5) ATZM31镁合金薄壁部件具有良好的力学性能，且无明显的各向异性。沿沉积方向和构建方向的最大极限拉伸强度分别为225MPa和214MPa，而伸长率分别为15.8%和18.8%。

(6) 本研究的目的是探索适合WAAM的镁合金丝，从而为进一步定制WAAM镁合金部件的微观结构和力学性能提供有价值的参考。

通讯作者

管志平，男，1975年6月生，山西怀仁人，1997年7月参加工作，工学博士，教授。主要从事金属超塑性与塑性精密成形研究工作。在超塑性与塑性领域长期从事宏观变形力学规律分析、材料参数的理论与测量、材料本构关系的实验建模等研究工作，并形成了自己的研究特色，即基于材料参数的精确测量，建立精确变参数本构模型，依据粘塑性理论针对超塑性变形力学规律进行定量分析。发表相关论文20余篇（其中在超塑性拉伸变形定量分析方面形成了系列性的研究成果，以第一完成人发表相关SCI论文10余篇），以项目负责人承担国家自然科学基金项目2项和国际交流项目1项，参加国家、省部级项目7项。获权国家发明专利2项。指导硕士3人。

贾海龙，副教授，博士生导师，吉林大学“唐敖庆学者”青年学者。2012年于东北大学材料科学与工程学院获得学士学位，2014年于东北大学获硕士学位，2018年于挪威科技大学获博士学位。2019年加入吉林大学材料科学与工程学院（吉大海外A类引进人才），2020年入选“吉林大学励新优秀青年教师培养计划”（重点培养阶段）。主要从事高性能轻合金组织控制及先进制备技术研究。研究成果在Acta Materialia、Journal of Magnesium and Alloys、Materials & Design等期刊发表。指导学生参加中国大学生机械工程创新创意大赛专业赛项：铸造工艺设计赛，获全国二等奖1项、三等奖2项。