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镁科研

激光粉末床熔融深冷处理WE43镁合金的显微组织和力学性能的演变研究！

发布时间：2023-10-10 作者：综合管理部 浏览量：

WE43镁合金在航空航天、生物医学和交通运输领域具有巨大潜力，激光粉末床熔合（LPBF）技术有望推动其发展。2023年10月4日，重庆大学机械工程学院李坤教授团队与清华大学机械工程系温鹏副教授团队合作在《Additive Manufacturing》（中科院1区，Top，影响因子11）发表最新研究成果“A comparative study on WE43 magnesium alloy fabricated by laser powder bed fusion coupled with deep cryogenic treatment: Evolution in microstructure and mechanical properties”，系统研究了通过LPBF和深冷处理(DCT)制造的WE43合金的显微组织和力学性能，并与传统铸造和变形合金进行比较。李坤教授和温鹏副教授为共同通讯作者。

研究结果表明，LPBF导致β''-Mg3(Y,Nd)、β'-Mg12NdY相和β1-Mg3Nd强化颗粒的析出，，与常规强化颗粒显着不同。DCT引发晶格收缩并形成微应力来储存应变能，从而降低析出驱动力并促进LPBF-DCTed合金中的析出。此外，DCT工艺会产生很大的压应力，从而诱发位错等晶体缺陷，从而导致后续强化。通过LPBF-DCT制备的合金的屈服强度提高了17%，极限抗拉强度提高了30MPa，延伸率提高了40%，远高于传统合金。这些发现凸显了将LPBF技术与DCT工艺相结合来制造高性能镁稀土合金的巨大潜力。

论文图片

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图1 实验材料和方法：(a)WE43镁合金粉末形貌和(b)粒度分布；(c) 拉伸棒和立方体的打印样品；(d) DCT设备和DCT过程的细节；(e) 拉伸试样的尺寸（单位为毫米）。

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图2 不同工艺加工的WE43合金的工程应力-应变曲线。

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图3. WE43 合金的 SEM 图像：(a-c) 铸件；(d-f) 挤压；(g-i) LPBF；(j-l)LPBF-DCT。

关键结论

在该研究中，采用LPBF工艺成功制备了无裂纹、致密的WE43镁合金。对不同制造工艺制造的WE43合金的显微组织和力学性能进行了系统研究。主要结论如下：

(1) 不同的制造工艺对WE43镁合金的力学性能有显着影响。与铸造和挤压合金相比，LPBF制备的WE43合金表现出更高的机械性能，UTS、YS和EL值分别为313MPa、236MPa和9.6%。此外，经过DCT工艺后，LPBF制备的WE43合金的力学性能得到了有效改善，UTS和YS分别提高了337MPa和275MPa，EL提高了10.5%，远高于传统合金。

(2) LPBF工艺的高冷却速率导致WE43合金中存在大量相，特别是亚稳态强化相，例如β'-Mg12NdY和β''-Mg3(Y,Nd)。此外，LPBF期间的大热梯度导致层状显微结构以粗柱状晶体为主，散布着细等轴晶体，其主取向为<100>。这与铸造和挤压合金的微观结构显着不同。

(3) DCT工艺的低温环境会导致晶格收缩，平均晶粒面积减少34%。该过程引起的微应力存储应变能降低了沉淀的驱动力。结果，高硬度强化相进一步析出而不破坏亚稳相，例如β'-Mg12NdY和β''-Mg3(Y,Nd)相。

(4) LPBF和LPBF-DCT合金中的析出物失配均小于15%，从而实现了非常高的非均匀成核效率。β''-Mg3(Y,Nd)、β'-Mg12NdY和Mg41Nd5相与基体形成共格界面，使合金具有塑性变形能力。β-Mg14Nd2Y相形成半共格界面，阻止位错运动并增强材料的强度。

(5) LPBF-DCT合金中I1型生长断层减少，非基底位错结构的临界分解剪切应力降低，更多的型非基底位错被激活。该结果与EBSD得到的KAM值分析结果一致。这些位错是可塑性的关键来源。然而，LPBF-DCT合金中亚晶界的增加阻碍了部分位错的滑移和攀爬，确保了强度和韧性的协同强化效应。

通讯作者

李坤，男，博士，重庆大学机械工程学院“弘深青年学者”特聘专家，博士生导师，海外引进人才。2011年获吉林大学材料科学与工程学科工学学士学位；2016年获清华大学机械工程学科工学博士学位；2017年2月赴美国德州大学埃尔帕索分校从事博士后研究工作，并担任Lawrence E. Murr（美国增材制造先驱）和R.D.K. Misra课题组博士生联合指导老师，科研成果获德州大学2018年度研究员奖；2019年4月任美国匹兹堡大学机械工程及材料科学系高级研究员教职；2020年8月被聘为重庆大学“弘深青年学者”教授、博士生导师，从事教学科研工作。主要从事3D打印及增材制造、高性能材料及智能加工等研究。在Additive Manufacturing、Journal of Materials Science and Technology、Materials Science and Engineering: A、Journal of Nuclear Materials、Materials & Design、Small等著名期刊和会议上发表论文80余篇。担任Acta Materialia、Materials Research Letters、International Journal of Plasticity等领域著名期刊评审人。

温鹏，清华大学机械工程系 副教授/博士生导师，2009年毕业于日本广岛大学，获得机械工程博士学位。目前主要从事激光增材制造技术和生物可降解金属材料研究，承担国家和企事业单位相关课题30余项，在Bioactive Materials, Acta Biomaterialia, Additive Manufacturing等发表学术论文50余篇。

论文引用

Li K, Chen W, Yin B, et al. A comparative study on WE43 magnesium alloy fabricated by laser powder bed fusion coupled with deep cryogenic treatment: Evolution in microstructure and mechanical properties[J]. Additive Manufacturing, 2023: 103814.

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103814


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