镁合金具有低密度、高比强度、高比刚度、良好的阻尼和电磁屏蔽性能等优异性能，在交通运输、航空航天、军工、电子工业等领域得到越来越多的应用。电弧熔丝定向能量沉积以电弧为热源，且在规划路径上熔化金属焊丝，层层堆积形成金属结构件，再通过少量机械加工满足使用要求。该技术柔性化程度高，可实现结构件的高效率、低成本制造，是一种适合镁合金大型复杂构件快速成形的有效方式。然而，电弧熔丝定向能量沉积制造镁合金会出现柱状晶粒或柱状枝晶的倾向，使得其力学性能存在明显的各向异性。作为一种典型的轻质结构材料，这种力学性能特点必然会限制其进一步发展应用。

近日，南昌航空大学刘奋成教授团队提出一种电弧摆动冷金属过渡（CMT）电弧熔丝定向能量沉积的新方法打印出高性能完全等轴晶镁合金零件。研究团队以典型的AZ31镁合金为研究对象，通过采用不同的电弧摆动模式，利用电弧摆动导致熔池附近具有更高的温度梯度，使得其冷却速度加快从而使结晶时的过冷度提高，导致大量的等轴晶的产生以及晶粒的细化，从而提高其力学性能。相关研究成果以“Effects of arc oscillation on microstructure and mechanical properties of AZ31 magnesium alloy prepared by CMT wire-arc directed energy deposition”为题发表在《Materials Science and Engineering:A》上。论文第一作者为程诗翔硕士研究生，通讯作者为刘奋成教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144539

图1镁合金增材示意图

图2添加电弧摆动后AZ31镁合金增材试样的金相组织

图3电弧摆动后AZ31镁合金增材试样的EBSD表征。螺旋摆动和不对称梯形摆动试样晶粒得到细化。

图4添加电弧摆动后AZ31镁合金增材试样的拉伸性能。

图5添加电弧摆动后AZ31镁合金增材试样的SEM表征

图6添加电弧摆动后AZ31镁合金增材试样的TEM表征

图7添加电弧摆动后熔池流动对微观结构形成的影响示意图

图8添加电弧摆动后AZ31镁合金增材试样EBSD的KAM和GOS图

基于以上基础研究，在未进行热处理的前提下，采用电弧摆动可以在电弧熔丝定向能量沉积中促进镁合金晶粒细化。同时对成形件的拉伸性能得到了提高，获得各向同性拉伸强度和良好的延伸性，使其拉伸性能与锻态AZ31镁合金相近。该研究通过电弧摆动的加入，有望为镁合金强韧性不匹配、综合性能不达标等发展瓶颈提供有效解决策略。