关键词： 电弧增材制造   Mg-Zn-Y合金   显微组织   热循环   力学性能  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)与其他金属增材制造技术相比具有沉积效率高、材料利用率高、设备成本低等多种优势,其与“21世纪绿色工程材料”一镁合金的结合已成为本领域的研究热点,但是仍存在诸多“卡脖子”问题限制了WAAM镁合金的应用。本文采用自制的Φ1.6mm的ZW61(Mg-6Zn-1Y-0.5Ce-0.5Zr,wt.%)镁合金丝材作为原材料,通过WAAM工艺制备单道壁,对垂直方向上组织和性能的不均匀性进行了表征,并探讨其演化机理。研究了WAAM不同热循环对同层材料的影响规律,结合不同热处理工艺对力学性能的各向异性进行了优化处理。主要结论如下: (1)较高的冷却速率和Zr元素的细化作用使得WAAM-ZW61镁合金具有细小的等轴晶组织,平均晶粒尺寸12.4μm,组织由α-Mg、Mg7Zn3相和纳米尺度的I-Mg3Zn6Y相组成。I相的尺寸较小,是沉积过程中较高的冷却速率以及Mg7Zn3相与其竞争生长所导致的。单道壁垂直高度上的散热条件不同,造成了 WAAM-ZW61镁合金组织不均匀,晶粒尺寸和第二相含量随单道壁垂直高度的升高而增大、增多。另外,由于激冷作用,在小范围内,同一熔池上下两部分的晶粒存在明显差异,表现为上部的晶粒比下部更粗大,层状结构更明显。 (2)在同一高度上孔隙缺陷呈随机分布,但由于沉积时底部区域更靠近基板,冷却速度更快,对熔池中气体的逸出以及剩余液体补缩造成了阻碍,因此底部的孔隙缺陷比顶部更多,尺寸更大。 (3)固溶强化和细晶强化是导致WAAM-ZW61镁合金的强度在垂直方向出现差异的主要原因,在拉伸过程中WAAM-ZW61镁合金表现出较高的伸长率,说明材料有一定的延展性,这归因于稀土元素的添加使材料的非基面滑移可以开动。另外,断口分析表明,晶界处的Mg7Zn3相是导致试样在室温拉伸时过早失效的主要原因。 (4)在后续沉积热循环的影响下,4th中出现明显的热积累,导致了4th中的原生细小晶粒逐渐被周围大晶粒吞并,平均晶粒尺寸不断增大,从10.7μm(未受热循环)增大到20.4μm(3次热循环)。同时,沿晶界分布的Mg7Zn3相形成更规则的网状结构,团絮状的Mg7Zn3相逐渐分散直至消失,I相长大并形成其典型的层状结构特征,生成了新相MgZn。I相长大和MgZn相的生成可能与热积累导致Mg7Zn3相在330℃左右发生转变(Mg7Zn3(?)α-Mg+MgZn+I)有关。 (5)4th的显微硬度和强度在热循环的影响下均有一定程度的提高,但伸长率降低。固溶强化是导致WAAM-ZW61镁合金强度提高的原因,而伸长率的降低主要是由于I相长大团聚造成的。 (6)对WAAM-ZW61镁合金进行了固溶、时效和固溶+时效三种热处理,结果表明,热处理后材料力学性能各向异性得到明显削弱,证明热处理是降低WAAM-ZW61镁合金各向异性的有效手段。其中对各向异性优化效果最佳的固溶热处理工艺是460℃×4h,其缺点在于牺牲了材料的强度,200℃×72h(时效)的优化效果略低于前者,但同时能够提高强度,460℃×4h+200℃×72h(固溶+时效)的优化效果最差,未达到在单独固溶/时效基础上进一步削弱各向异性的效果。