鎂合金電弧增材制造研究現(xiàn)狀及展望

劉宏杰，劉文才，孫家偉，王茜瑤，鄺思羽，吳國華

（上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 輕合金精密成型國家工程研究中心，上海 200240）

鎂合金具有高的比強(qiáng)度和比剛度，良好的尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)熱導(dǎo)電性，以及優(yōu)異的鑄造、切削加工性能，并具有高阻尼、電磁屏蔽、資源豐富、易回收利用等優(yōu)點［1-2］，高性能鎂合金材料是支撐航空、航天、新一代武器裝備、高速列車以及新能源汽車等高端裝備不斷升級發(fā)展的先進(jìn)基礎(chǔ)材料［3-4］。而限制高性能鎂合金的發(fā)展主要因素之一就是相關(guān)的材料制造工藝［5］，可以發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)高塑強(qiáng)積鎂合金的途徑之一是實現(xiàn)鎂合金的細(xì)晶結(jié)構(gòu)，增材制造作為一種新工藝新方法，有望實現(xiàn)鑄造和變形難以實現(xiàn)的性能［6-7］。另外，臨界空間環(huán)境探測火箭艙體、防空導(dǎo)彈艙體、衛(wèi)星平臺、速率陀螺支架、微小衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)鎂合金類航天輕量化構(gòu)件，一般采用鑄造和鍛造等方法制作鎂合金坯料，然后進(jìn)行后續(xù)機(jī)械加工等諸多工序，預(yù)留加工余量較大，原材料利用率很低，備貨周期長，嚴(yán)重制約型號的研制進(jìn)度。增材制造技術(shù)因無需模具、制造周期短、成本低等優(yōu)點，可為復(fù)雜航天構(gòu)件制造提供更多的設(shè)計思路，有利于實現(xiàn)“設(shè)計-工藝-制造”的快速有效協(xié)同。

近年來，鎂合金的增材制造越來越受到研究人員的關(guān)注，并正在開發(fā)相關(guān)的3D 增材技術(shù)，鎂由于高活性，很容易發(fā)生氧化，必須處于惰性的氣氛中才能進(jìn)行制造。鎂合金電弧增材制造（wire arc additive manufacturing，WAAM）技術(shù)是一種基于絲材的定向能量沉積（direct energy deposition，DED）方法，該方法使用電弧作為熱源，通過添加絲材，在程序的控制下，逐層成形出金屬零件［8-11］。與其他鎂合金增材制造技術(shù)（如激光選區(qū)熔化鎂合金粉末）相比，鎂合金絲材降低了氧化的風(fēng)險，制造成本比較低，鎂合金WAAM 受到了極大的關(guān)注。本文首先簡要概述了當(dāng)前主流鎂合金WAAM 所用絲材的種類及其對絲材的要求，然后列舉出現(xiàn)今適合于WAAM 鎂合金絲材的制備方法，并對鎂合金WAAM 的各種工藝原理和研究進(jìn)展進(jìn)行全面概述，最后對鎂合金WAAM 目前存在的問題以及未來發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 鎂合金電弧增材制造的絲材種類及要求

WAAM 工藝?yán)秒娫诨寤蛘吖ぜc電極之間產(chǎn)生電弧，絲材在電弧的熱量下熔化進(jìn)入熔池形成強(qiáng)黏結(jié)的填充金屬，絲材不限于一種填充金屬，理論上凡能在工藝條件下熔化的金屬都可以作為增材制造（AM）的材料。目前主流的AM 的金屬材料可以分為鐵基合金（工具鋼、316L 不銹鋼、M2 高速鋼、H13 模具鋼和15-5PH 馬氏體時效鋼等）、鈦及鈦合金（純Ti、Ti6A14V（TC4）和Ti6A17Nb）、鎳基合金（Inconel 625，Inconel 718 和Inconel 939 等）、鈷鉻合金（Co212，Co452，Co502 和CoCr28Mo6 等）、鋁合金（AlSi10Mg，AlSi7Mg，AlSi9Cu3 等）及貴金屬等［12］。鎂合金是以鎂為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金，主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等，鎂合金是目前實際應(yīng)用中最輕的金屬，且具有良好的生物相容性和可降解性，其楊氏模量與人體骨骼也最為接近，可作為輕量化材料或植入物材料，具有良好的應(yīng)用前景。目前鎂合金填充絲材牌號有限，常見牌號有AZ31，AZ31B，AZ61A，AZ91，AZ91D，AZ80M，EZ33A，AZ101A，QE22A，AM50A 和AZ92A［13］，在WAAM 鎂合金中，常用鎂合金絲材主要為AZ 系列，即AZ31，AZ31B，AZ61A，AZ91，AZ91D，AZ80M，AZ 系列鎂合金由于具有較好的耐蝕性能、鑄造性能和力學(xué)性能，以及較高的屈服強(qiáng)度從而研究最成熟、應(yīng)用最廣泛，在AZ 系鎂合金中，Al 是主要元素，Al 平均含量為2%~9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），Al 元素的加入有利于提高硬度、強(qiáng)度和力學(xué)性能等。

金屬絲是WAAM 工藝的主要輸入材料，高性能的WAAM 鎂合金工件對于絲材有一定的要求，如表1所示。

表1 WAAM 鎂合金所用絲材要求Table 1 Wire requirements for WAAM magnesium alloys

2 鎂合金絲材的制備

鎂合金WAAM 以電弧作為熱源，并按規(guī)劃的路徑熔化鎂合金絲材，逐層成形所需樣品。WAAM 通常使用盤裝絲材，為了減少更換絲材的頻率，絲材要保證一定的長度，增材制造過程中絲材要平滑送出，不能產(chǎn)生抖動，否則會導(dǎo)致電弧不穩(wěn)，影響成形質(zhì)量。 鎂合金具有密排六方晶格， 室溫下只有{0001}〈11-2 0〉滑移系，伸長率小，不易產(chǎn)生塑性變形，目前可用于AM 的鎂合金絲材主要通過擠壓、拉拔和擠壓-拉拔的方式獲得。

2.1 鎂合金絲材擠壓成形工藝

擠壓工藝是所有塑性成形工藝中能夠最大程度上發(fā)揮材料塑性的工藝，鎂合金擠壓成形工藝是在鎂合金處在三向壓應(yīng)力的狀態(tài)下，這種狀態(tài)與靜水的壓力十分接近，這樣對鎂合金的加工成形非常有利。鎂合金擠壓過程中通常采用熱擠壓工藝，鎂合金熱擠壓生產(chǎn)最大的特點是高溫和高擠壓比。鎂合金熱擠壓成形時，在有專門的保溫裝置保證坯料溫度和模具溫度始終保持在恒定的溫度范圍內(nèi)、采用合理的潤滑劑等條件下，可以擠出各種高質(zhì)量的鎂合金絲材。鎂合金的擠壓工藝原理如圖1［14］所示。

圖1 鎂合金絲材擠壓成形工藝［14］Fig.1 Magnesium alloy wire extrusion forming process［14］

制備鎂合金絲材的過程中，可能產(chǎn)生的缺陷主要有表面粗糙甚至產(chǎn)生表面裂紋，表面粗糙度主要是由于擠壓溫度過低或者潤滑劑加入量較少等原因造成的，可通過提高擠壓溫度及加入適量的潤滑劑來改善絲材的表面粗糙度；表面裂紋來源于在高溫擠壓條件下絲材擠出速度過快，使絲材表面出現(xiàn)了大量熱裂紋，應(yīng)當(dāng)采取合理的擠壓溫度-速度進(jìn)程，使金屬在變形區(qū)具有較高的塑性。鎂基合金的絲材擠壓成形性和表面粗糙度可通過兩種方法得到改善。首先，優(yōu)化不同的擠壓工藝對鎂基合金的擠壓成形的影響至關(guān)重要。這些擠壓方法包括熱擠壓、往復(fù)擠壓及正擠壓、快速凝固+往復(fù)擠壓+正擠壓方法等。這些方法會影響合金微觀組織和塑性，不同的鎂基合金所適用的擠壓方法不同。

熱擠壓是制備絲材最常用的工藝方法，熱擠壓工藝比較簡單。熱擠壓時，要將坯料加熱到再結(jié)晶溫度以上，然后才能進(jìn)行熱擠壓。熱擠壓工藝制備鎂基合金絲材時，對鎂基合金的塑性有一定的要求。鎂合金常溫下容易脆裂，難以進(jìn)行塑性成形加工；200 ℃以上時塑性明顯提高；225 ℃以上時塑性提高更大，因此鎂合金宜在200 ℃以上成形［15］。塑性越差，熱擠壓溫度越高。然而鎂合金易氧化燃燒，溫度越高，鎂合金氧化越嚴(yán)重，因此，在鎂合金擠壓過程中，應(yīng)盡量降低鎂合金的溫度，因為氧化物最終會隨著鎂合金擠壓成為絲材，從而惡化絲材質(zhì)量。

往復(fù)擠壓（RE）是一種大塑性變形技術(shù)，晶粒經(jīng)過破碎、動態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)回復(fù)后明顯細(xì)化，可以有效地細(xì)化金屬材料的晶粒并提高材料的塑性［16］。郭學(xué)鋒等開發(fā)了多種制絲方法，如往復(fù)擠壓+正擠壓、快速凝固+往復(fù)擠壓+正擠壓方法［17-19］。通過往復(fù)擠壓+正擠壓工藝方法，將?34.8 mm 的Mg-6%Zn-1%Y-0.6%Ce-0.6%Zr 鎂合金鑄錠放入?35 mm 的往復(fù)擠壓筒內(nèi)（擠壓頸直徑為?10 mm），在330 ℃經(jīng)過4 次往復(fù)擠壓后，在330 ℃正擠壓成?1.5~2.08 mm不同直徑的絲材；快速凝固+往復(fù)擠壓+正擠壓方法區(qū)別之處在于采用單輥快速凝固（RS）裝置將熔煉合金制成寬度約2~20 mm，厚度20~80 μm 的薄帶，隨后將薄帶粉碎成長度和寬度都小于2 mm 的粉體并裝入直徑?50 mm 的往復(fù)擠壓筒中（擠壓頸直徑?12 mm），其他絲材參數(shù)與往復(fù)擠壓+正擠壓方法相同。晶粒細(xì)化是一種可以改善強(qiáng)度和塑性的策略，鎂基合金在擠壓前通過往復(fù)擠壓、快速凝固等工藝使得晶粒得到細(xì)化，因此可以在擠壓變形過程中適當(dāng)降低擠壓變形溫度，從而減少鎂基合金絲材內(nèi)部氧化物夾雜及表面氧化物，有利于提高絲材的制備質(zhì)量。

第二種方法是優(yōu)化擠壓工藝的工藝參數(shù)，以減少缺陷并提高絲材質(zhì)量。絲材的質(zhì)量可以通過合理地改變工藝參數(shù)得到改善，如改變合金成分、調(diào)整擠壓模具、設(shè)定合理的擠壓力等。

合金成分組成的不同會導(dǎo)致合金及絲材的綜合性能有很大的差異，通過對成分進(jìn)行控制可以改善擠壓成形性。Mg-Al 系合金是牌號最多、應(yīng)用最廣的系列，Mg-Al 系合金中往往還含有一些其他的合金元素，不同元素在Mg-Al 合金中的作用不同。Ca 元素添加到Mg-Al 合金中可細(xì)化晶粒，主要是因為Ca 元素一部分可作為α-Mg 相的非均勻形核的核心，另外一部分偏聚在晶界處，因此可有效細(xì)化晶粒［20-22］。稀土元素Y 在鎂合金中能夠顯著細(xì)化合金組織，稀土元素Y 會與合金中的Al 元素形成稀土相，消耗β 相中的Al元素，從而改善鎂合金中粗大、連續(xù)分布的網(wǎng)狀β相［23］。Frank 等［14］通過直接擠壓成形工藝完成?1.2 mm 鎂鋁系（MgAl6，MgAl6CaY，AZ61CaY，MgAl9，MgAl9CaY，AZ91CaY）鎂合金絲材的制備。在擠出速度為2 m/min、擠出溫度為390 ℃、擠出比為70 的條件下，每次將坯料擠壓成?1.2 mm 的4 根絲材（直徑可調(diào)節(jié)為?0.8~3 mm），每根金屬絲長4 m，由于其一模四件，擠壓后通過單根絲材的連接，每個坯料可生產(chǎn)總長度為16 m 的絲材。一般來說，金屬絲的總長度取決于所需的直徑，可生產(chǎn)絲材總長度范圍為7~30 m?？梢园l(fā)現(xiàn)，Ca 和稀土元素的加入可以細(xì)化晶粒尺寸。鎂基合金在加入Ca 和稀土元素后可以獲得高質(zhì)量的絲材以及絲材的長度也可以滿足需求。

模具設(shè)計主要影響擠壓絲材的表面質(zhì)量。通過優(yōu)化模具設(shè)計，盡可能減少絲材的表面粗糙度，提高絲材的表面質(zhì)量。Nienaber 等［24］通過調(diào)整模具直接擠壓制備的大變形鎂合金絲材可用于增材制造。長度為150 mm、直徑為?49 mm 的坯料在400 ℃下均化16 h 后，在加工溫度為325 ℃、擠壓比為625、擠壓速度設(shè)定值（沖頭速度）為0.1 mm/s 的條件下擠出絲材，獲得不同直徑絲材的表面形貌如圖2 所示［24］，絲材的表面粗糙度通過平均標(biāo)準(zhǔn)偏差（Ra）參數(shù)表征，對于純鎂和三種AZ 系鎂合金（AZ31，AZ80，AZ91），絲材的表面粗糙度小于0.46 μm。

圖2 鎂及鎂合金絲材表面形貌［24］Fig.2 Surface morphologies of magnesium and alloy wire［24］

擠壓力是鎂合金絲材制備工藝過程的關(guān)鍵，若擠壓力過大，不僅擠壓軸有被鐓粗的危險，而且鎂絲也極易斷裂；若擠壓力過小，則擠壓困難，難以擠出絲材，合理的擠壓力對于擠出質(zhì)量優(yōu)良的絲材非常重要［25］。擠壓過程中，擠壓力隨著擠壓的推進(jìn)存在兩個階段：階段Ⅰ，擠壓力急劇增大，并達(dá)到峰值，凸模擠壓坯料，使其鐓粗并充滿凹模直至金屬開始流出凹模；階段Ⅱ，凸模繼續(xù)移動，坯料被擠壓成所需的形狀流出凹模，此時，變形區(qū)穩(wěn)定，擠壓力有所下降（圖3）［26-27］?？梢钥闯觯跀D壓過程中，擠壓力不是一個常數(shù)，而是隨著壓下量而變化。影響擠壓力的因素主要有：材料的性質(zhì)、擠壓比、擠壓速度、鑄錠與模具之間的摩擦力、擠壓模角等工藝參數(shù)。董長富等［27］以擠壓?1.2 mm AZ31 鎂合金絲材為例。通過合理假設(shè)及取定擠壓過程中的各工藝參數(shù)， 采用主應(yīng)力法計算了擠壓力，圖中A 為?3.0 mm 絲材，B為?1.6 mm 絲材，C 為?1.2 mm 絲材，發(fā)現(xiàn)計算值與實測值基本接近，通過取定補償系數(shù)的方法修正計算模型，分別計算出?1.6，2.0，2.4，3.0 mm 鎂合金絲材所需的單位擠壓力，并在實驗中成功制備出絲材。

圖3 AZ61 鎂合金擠壓力實驗曲線［26-27］Fig.3 Experimental curves of extrusion force of AZ61 magnesium alloy［26-27］

AZ 系鎂合金是目前應(yīng)用最廣泛的變形鎂合金，它具有較好的室溫強(qiáng)度，良好的延展性以及優(yōu)良的抗大氣腐蝕性能力［28］。因此，對于AZ 系鎂合金的絲材制備工藝及工藝參數(shù)研究較多。王冰［29］采用熱擠壓法制備AZ31，AZ91 鎂合金絲材，研究坯料溫度、模具溫度、擠壓力以及擠壓筒內(nèi)壁的光滑程度對鎂合金絲材質(zhì)量的影響。在合理的擠壓工藝（擠壓溫度420 ℃、擠壓力9×105N 和出絲速度0.8~1 m/min）條件下，成功制備了表面光潔、性能良好的?3 mm 和?4 mm 的鎂合金絲材。

2.2 鎂合金絲材拉拔成形工藝

拉拔成形的產(chǎn)品尺寸精度和表面粗糙度高，但拉拔時材料在變形區(qū)的受力狀態(tài)是兩向壓應(yīng)力一向拉應(yīng)力，變形過程中的拉應(yīng)力很容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，因此拉拔變形對于塑性較差的鎂合金的確是一個挑戰(zhàn)。

鎂合金的拉拔工藝原理如圖4 所示，與擠壓制備的鎂合金絲材相比，拉拔的鎂合金絲材具有出色的表面質(zhì)量、極低的直徑變化以及顯著的微觀結(jié)構(gòu)均勻性。另外，擠壓絲材的直徑標(biāo)準(zhǔn)偏差比拉拔絲材的直徑標(biāo)準(zhǔn)偏差高40 倍。

圖4 鎂合金絲材拉拔成形工藝［30-32］Fig.4 Magnesium alloy wire drawing forming process［30-32］

小直徑絲材成形較為理想的工藝方法是拉拔工藝，AZ31 鎂合金拉拔成形絲材研究較為廣泛，研究者在不同工藝下（熱拉拔、冷拉拔、電熱法拉拔）進(jìn)行了AZ31 鎂合金絲材的成形工藝研究。另外，在絲材拉拔過程中，在經(jīng)過一定的累積變形量后，需要通過退火工藝來消除變形應(yīng)力。拉拔工藝的特點是產(chǎn)品尺寸精確、表面光潔；鎂合金的層錯能較低（60~78 mJ/m2），在退火過程中主要發(fā)生再結(jié)晶，因此可通過適當(dāng)?shù)耐嘶鸸に囀笰Z31 鎂合金發(fā)生再結(jié)晶，實現(xiàn)晶粒的細(xì)化，改善絲材的力學(xué)性能。晁紅潁［33］將拉拔變形和退火工藝相結(jié)合，研究了AZ31 鎂合金絲材的冷變形，通過六個道次的拉拔和六次中間退火，將直徑為?2 mm 的絲材拉至?0.12 mm，晶粒尺寸由20 μm 細(xì)化至0.9 μm，最終實現(xiàn)99.6%的累積冷變形。結(jié)果表明，當(dāng)晶粒尺寸達(dá)到2 μm 時，退火態(tài)絲材的顯微硬度高達(dá)73.3HV，抗拉強(qiáng)度也達(dá)到467.4 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到 430.5 MPa。在鎂合金絲材拉拔的同時引入高能脈沖電流，使脈沖電流作用于鎂合金變形區(qū)域，在電流的作用下，材料的變形能力會提高［34］。唐衡郴［35］利用電熱法對AZ31 鎂合金絲材進(jìn)行拉拔實驗，實驗采用在420 ℃擠壓制備的?1.6 mm的鎂合金絲材作為初始材料，在拉拔過程中，鎂合金絲材中一段流過電流，由于電阻熱絲材溫度升高，塑性變形能力提高，鎂合金絲材的變形溫度控制在300 ℃左右時候，成功地制備出?1.5，1.4，1.3，1.2 mm 系列鎂合金絲材。

目前有關(guān)鎂合金絲材熱拉拔工藝的研究主要集中在塑性較好的AZ31 鎂合金，AZ61 鎂合金由于其塑性相對較差，所以AZ61 鎂合金的拉拔工藝研究較少。在絲材拉拔過程中，當(dāng)變形量過大或拉拔溫度過高時，絲材會發(fā)生斷裂，圖5 為AZ61 鎂合金絲材穩(wěn)定熱拉拔的工藝參數(shù)范圍圖［36］?？梢钥闯?，當(dāng)拉拔溫度為150 ℃時，絲材可承受的最大道次變形量為30%，即?6 mm 的AZ61 鎂合金絲材可單道次拉拔成直徑為?4.2 mm 的絲材而不發(fā)生斷裂。

圖5 AZ61 鎂合金拉拔工藝窗口［36］Fig.5 Drawing process window of AZ61 magnesium alloy［36］

2.3 鎂合金絲材擠壓-拉拔成形工藝

對鎂合金而言，在拉拔成形過程中的應(yīng)力狀態(tài)對其塑性的發(fā)揮不利，因此鎂合金難以進(jìn)行大塑性拉拔變形制備絲材；在擠壓成形過程中，當(dāng)擠壓鎂合金絲材的直徑小于?2 mm 時，所需擠壓力大、磨具損耗大，容易出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。通過擠壓-拉拔成形工藝可以實現(xiàn)制備直徑小于?2 mm 且保證一定長度的鎂合金絲材，即通過擠壓工藝生產(chǎn)制備直徑大于?2 mm 的鎂合金絲材，再通過拉拔工藝制備滿足AM 所需直徑的鎂合金絲材。

當(dāng)鎂合金絲材直徑小于?2 mm 時，擠壓難度增加并且擠壓生產(chǎn)的鎂合金絲材太軟，無法確保送絲過程的連續(xù)性，采用熱拉拔工藝生產(chǎn)?1.2~2 mm 直徑的鎂合金絲材，可以提高鎂合金絲材的成形質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

金文中等［29，37］通過采用熱擠壓-拉拔工藝成功制備了圓整度、粗糙度和挺直度優(yōu)于熱擠壓法生產(chǎn)的?1.2 mm 的鎂合金絲材。首先在擠壓溫度440 ℃、擠壓速度1.5~3.0 m/min，擠壓比400 的擠壓條件下，將?44 mm×（60~80） mm 的AZ61 鎂合金擠出為?2.1 mm 的絲材，然后在250~340 ℃的拉拔溫度下，經(jīng)過五道次拉拔（每道次變形程度為20%左右），將?2.1 mm 絲材拉至?1.2 mm。在直徑小于?2 mm 采用拉拔工藝有利于降低?2 mm 以下鎂合金絲材的生產(chǎn)難度、提高生產(chǎn)效率以及保證絲材的均勻性和送絲的連續(xù)性。

3 鎂合金的電弧增材制造工藝

根據(jù)熱源的性質(zhì)，通常有三種類型的WAAM 工藝：熔化極電弧增材制造（gas metal arc welding，GMAW）、鎢極惰性氣體保護(hù)電弧增材制造（gas tungsten arc welding，GTAW）以及等離子體電弧增材制造（plasma arc welding，PAW），如圖6（a）所示［38］。目前，WAAM 鎂合金工藝主要集中在GTAW、GMAW、冷金屬過渡（GMAW-CMT）及PAW 這幾種工藝方面。

圖6 WAAM 工藝種類及原理圖［38］ （a）WAAM；（b）GTAW；（c）GMAW；（d）PAW；（e）CMTFig.6 Process type and schematic diagram of WAAM［38］ （a）WAAM；（b）GTAW；（c）GMAW；（d）PAW；（e）CMT

3.1 鎢極惰性氣體保護(hù)電弧增材制造

GTAW 由于它的高精度幾乎沒有缺陷，從而是最早被廣泛采用的電弧焊工藝之一［11］。通過在鎢極與工件之間建立起電弧，電極在焊接過程中不會消耗，但是填充金屬必須從外部添加，用惰性氣體對電弧和熔池進(jìn)行保護(hù)［39］，如圖6（b）所示［38］。

將WAAM 工藝用于鎂合金的制造具有獨特的優(yōu)勢。AZ31 合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕綜合性能，是鎂合金中最具代表性的合金之一［40］。Fang等［41］采用GTAW 技術(shù)制備AZ31 合金，在AZ31 鎂合金基板（L400 mm×W200 mm×H10 mm）上逐層沉積了105 層（前二十層的電弧電流從120 A 逐漸減小到75 A）WAAM-GTAW 薄壁組件，在弧長3 mm，電流75 A，沉積速度0.25 m/min，送絲速度2.5 m/min工藝參數(shù)下薄壁組件的強(qiáng)度優(yōu)于鑄造合金，接近鍛造AZ31，而伸長率顯著高于鍛造試樣。GTAW AZ31 鎂合金微觀結(jié)構(gòu)主要包括α-Mg 相，并且僅存在可忽略的析出Al-Mn 相（圖7）。此外，GTAW AZ31 鎂合金比熱軋AZ31 板具有優(yōu)異的腐蝕性能，熱軋AZ31 板的腐蝕速率為13.62 mm/a，是GTAW AZ31 鎂合金腐蝕速率（3.43 mm/a）的4 倍。GTAW 工藝的快速冷卻能夠使晶粒細(xì)化，晶粒細(xì)化有利于提高合金的強(qiáng)度、塑性、腐蝕性能等。

圖7 GTAW AZ31 的EDS 結(jié)果［41］（a）AZ31 SEM 圖；（b）Al，Zn，Mn，Mg 元素分布Fig.7 EDS results of GTAW AZ31［41］（a）SEM image of AZ31；（b）distribution of Al，Zn，Mn，Mg elements

優(yōu)化GTAW 工藝參數(shù)是提高AZ31 鎂合金成形質(zhì)量的最重要方法。影響合金試樣成形效果、組織和力學(xué)性能的工藝參數(shù)主要為交流電頻率、脈沖頻率、交流電大小、送絲速度和沉積速度等。電弧增材制造合金的性能的不同主要是由于GTAW 工藝不同工藝參數(shù)下熱輸入的不同造成的，在相同的熱輸入條件下，存在不同的工藝參數(shù)組合。因此，調(diào)整工藝參數(shù)主要是為了改變GTAW 工藝的熱輸入。郭靖等［42-43］采用GTAW 工藝進(jìn)行直徑為?1.2 mm 和?1.6 mm 的AZ31鎂合金的電弧增材制造，在最優(yōu)參數(shù)下，成功制備出抗拉強(qiáng)度261 MPa、屈服強(qiáng)度102 MPa、伸長率大于23%且完全致密的AZ31 鎂合金試樣，WAAM 成型試樣的組織為均勻細(xì)小的等軸晶，晶粒尺寸為21 μm。與傳統(tǒng)的鑄造制造工藝相比，由于WAAM 過程中的冷卻速度快，WAAM 合金的晶粒尺寸一般小于100 μm，如表2中所示［13，41-54］，而不是傳統(tǒng)的鑄造工藝的100 μm以上［44］。

表2 WAAM 鎂合金組織結(jié)構(gòu)Table 2 Microstructure of WAAM magnesium alloy

另外，材料的微觀結(jié)構(gòu)與其經(jīng)歷的熱過程密切相關(guān)。采用WAAM 技術(shù)制造的材料經(jīng)歷多次復(fù)雜熱循環(huán)，與鑄造或鍛造材料的熱歷史相差甚大，這導(dǎo)致材料的微觀結(jié)構(gòu)與鑄造或鍛造材料的相差較大［55］。單道多層鎂合金直壁的微觀結(jié)構(gòu)一般分為四個區(qū)域：頂層區(qū)域、層間過渡區(qū)、中間層區(qū)域、底層區(qū)域，不同區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)非常不同。對GTAW 工藝制備的AZ80M 鎂合金在成形性、熱循環(huán)、組織演變和力學(xué)性能方面的研究表明，在頂層區(qū)域，大部分β 相為粗條狀，分布在晶界，少量為粒狀，分布在α-Mg 相中；而在中間區(qū)域，β 相為短棒狀或粒狀，在晶界不連續(xù)分布。硬度沿縱向分布不均勻，中間層區(qū)域硬度平均為74HV，GTAW AZ80M 鎂合金的最大抗拉強(qiáng)度為308 MPa，接近擠壓態(tài)AZ80M，遠(yuǎn)高于鑄造態(tài)AZ 80M［44-46］。

3.2 熔化極電弧增材制造

熔化極電弧增材制造（GMAW），也稱為熔化極惰性氣體保護(hù)（MIG）/熔化極活性氣體保護(hù)（MAG），是WAAM 中使用最多的工藝。通過在絲材和熔池之間建立電弧，利用外加氣體（可以是惰性氣體，活性氣體或混合物）對電弧和熔池進(jìn)行保護(hù)，電弧所產(chǎn)生的熱量熔化工件和絲材，熔化的絲材通過電弧沉積到工件上，如圖6（c）所示。使用GMAW 在增材制造中的沉積速度范圍為3~4 kg/h（取決于沉積的材料和工藝參數(shù)）（表3［56］），使其非常適合在短時間內(nèi)生產(chǎn)大型零件［11，56-57］。

表3 WAAM 工藝對比［56］Table 3 Comparison of various WAAM techniques［56］

缺陷會對材料的各種性能產(chǎn)生重大影響，使用WAAM 技術(shù)制造的部件中應(yīng)盡可能地減少內(nèi)部缺陷。Takagi 等［47］通過研究不同工藝參數(shù)對沉積鎂合金單道形貌的綜合影響，得到AZ31B 鎂合金在GMAW 工藝下進(jìn)行增材制造的工藝窗口（圖8），在最優(yōu)參數(shù)下（電流100 A，電壓10 V，沉積速度800 mm/min），GMAW AZ31B 孔隙率為0.00025%，遠(yuǎn)低于鑄造或激光增材制造AZ31B 合金構(gòu)件的孔隙率（0.5%左右），GMAW 工藝沉積的制造物體的抗拉強(qiáng)度為239 MPa，與對應(yīng)軋板的抗拉強(qiáng)度（221~275 MPa）相當(dāng)，伸長率為21%，要高于軋板的伸長率（12%）。每單位長度的熱輸入量減少，微觀結(jié)構(gòu)晶粒越細(xì)小，有利于降低制造物體的孔隙率、提高拉伸性能和改善微觀結(jié)構(gòu)等材料性能。

圖8 AZ31B 鎂合金GMAW 工藝窗口［47］Fig.8 GMAW process window of AZ31B magnesium alloy［47］

3.3 冷金屬過渡

GMAW 技術(shù)通常因為其較高的熱輸入導(dǎo)致制件表面出現(xiàn)波紋，增加了增材之后減材的加工余量，降低了材料利用率［58］。因此在短路過渡的基礎(chǔ)上開發(fā)出冷金屬過渡工藝（CMT），CMT 技術(shù)具有熱輸入量小，增材過程穩(wěn)定、無飛濺等優(yōu)點［59］，其工藝過程為：電弧引燃，絲材向熔池中運動，當(dāng)熔滴進(jìn)入熔池時，通過伺服電動機(jī)控制絲材回抽而使熔滴脫落，金屬轉(zhuǎn)移完成后，絲材回到原始位置，電弧重新點燃，絲材在設(shè)定的電流下再次向前給進(jìn)。在金屬轉(zhuǎn)移過程中，電流下降到接近零，從而避免了任何飛濺的產(chǎn)生［60］，液滴轉(zhuǎn)移過程如圖6（e）所示。由于熱輸入低，因此在鎂合金增材制造方面具有巨大潛力。

近年來，眾多研究者對CMT AZ31 鎂合金的成形工藝進(jìn)行廣泛研究。優(yōu)化電弧增材制造鎂合金的工藝對于明晰工藝與微觀組織、工藝與力學(xué)性能之間的關(guān)系具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)在CMT 過程中加入強(qiáng)脈沖，沉積的鎂合金單道寬而淺，潤濕性好，等效熱輸入低，但是CMT AZ31 鎂合金直壁部件力學(xué)性能存在各向異性。微觀組織中存在熔合區(qū)和熱影響區(qū)，熱影響區(qū)形成于每兩個相鄰沉積層之間，熱影響區(qū)厚度（約700 μm）約為沉積層厚度的一半，由于CMT AZ31鎂合金試樣中熱影響區(qū)的局部熔化，導(dǎo)致在熱影響區(qū)共晶α-Mg 較初生α-Mg 含有更多的Mg 和更少的Al；而在熔合區(qū)，共晶α-Mg 較初生α-Mg 含有更少的Mg和更多的Al，另外，熔合區(qū)的β-Mg17Al12相數(shù)量大于熱影響區(qū)中β-Mg17Al12相數(shù)量（圖9）［48］，表明熱影響區(qū)域存在軟化效應(yīng)，從而導(dǎo)致直壁表現(xiàn)出各向異性的拉伸性能，橫向的抗拉強(qiáng)度225.7 MPa、伸長率28.3%高于縱向抗拉強(qiáng)度210.5 MPa、伸長率17.2%［48，61］。而對AZ31 鎂合金的CMT 成形工藝進(jìn)行研究表明，鎂合金增材試樣橫向及縱向的力學(xué)性能無明顯各向異性，抗拉強(qiáng)度為243 MPa，屈服強(qiáng)度為109 MPa，伸長率在23%左右，顯微硬度平均值為57HV［49］。CMT 過程中加入強(qiáng)脈沖不僅導(dǎo)致了AZ31 合金的各向異性，而且其力學(xué)性能也低于不加脈沖工藝樣件的力學(xué)性能。可見，強(qiáng)脈沖反而惡化了CMT 沉積AZ31 的力學(xué)性能。

組織與性能之間的關(guān)系可以直觀地反映各組織參數(shù)對性能的影響機(jī)理，可以更好地指導(dǎo)工藝參數(shù)的設(shè)定，達(dá)到優(yōu)化組織、提高性能的目的［62］。針對CMT鎂合金組織對其力學(xué)性能的影響，已有學(xué)者對不同鎂合金做過研究。Yang 等［50］以揭示W(wǎng)AAM AZ31 材料的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系為目的開展了CMT AZ31 工藝的研究，AZ31 直壁頂層為等軸枝晶，其余各層的微觀結(jié)構(gòu)依次由垂直柱狀枝晶和變向柱狀枝晶組成（圖10），包括枝晶狀α-Mg 相，枝晶間共晶（α-Mg 相和β-Mg17Al12相）和一些分散的η-Al8Mn5相，發(fā)現(xiàn)力學(xué)性能呈現(xiàn)明顯的各向異性（表4［13，41，44-52，61］）。Klein 等［51］使用AZ61A Mg 合金可以成功制造沒有大裂紋和很少孔隙的沉積物，顯微組織均勻，以等軸晶粒為主；CMT AZ61A 合金試樣中同時存在α-Mg 相、共晶（α-Mg 相和β-Mg12Al17相）、Al8Mn5相及富鋅相。合金的力學(xué)性能基本各向異性（見表4），其力學(xué)性能要優(yōu)于鑄造試樣，但低于鍛造試樣的力學(xué)性能。Bi等［52］對通過CMT 工藝制備的AZ91 鎂合金直壁的組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究，通過規(guī)劃CMT 工藝掃描路線，樣品層間連接良好，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，具有多層結(jié)構(gòu)的試樣由不同尺寸的等軸晶粒組成?；贑MT 工藝制備的試樣比傳統(tǒng)的鑄造合金具有更好的性能，可以使熔池中的溫度分布更加均勻，顯著細(xì)化鎂合金沉積層的晶粒。

圖10 CMT AZ31 薄壁縱向界面的光學(xué)顯微照片［50］（a）頂層；（b）~（c）頂層高倍；（d）中間層；（e）底層Fig.10 Optical micrographs of thin-walled longitudinal interfaces of CMT AZ31［50］（a）top layer ；（b）-（c）top layer high-magnification；（d）middle layer；（e）bottom layer

表4 WAAM 鎂合金的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of WAAM magnesium alloys

另外，鎂合金WAAM 過程中由于鎂合金熔沸點區(qū)間較小，若熱輸入過高，會導(dǎo)致鎂的蒸發(fā)，因此要合理地控制熱輸入，Graf 等［63］對CMT 工藝制備AZ31 鎂合金過程中絲材進(jìn)給速度（2.5~5.0 m/min）和焊接路徑方向（單向或連續(xù)）對直壁溫度演變的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)，模擬與實驗的所有溫度曲線之間保持一致性，從而可以很好地預(yù)測增材制造過程中的溫度演變，這對WAAM 鎂合金很重要，有利于指導(dǎo)設(shè)定合理的工藝參數(shù)以減少鎂元素的蒸發(fā)及氧化。

從表3 可以看出，對于鎂合金WAAM 的研究主要集中在AZ 系的鎂合金，這主要是由于鎂合金的絲材難以制備，目前鎂合金的絲材通常用作鎂合金的焊接，由于這些絲材不是專門為增材制造目的而設(shè)計的，它們的性能是有限的。姚巨坤等［52］在電弧增材再制造工藝與組織性能研究中，采用CMT 工藝在送絲速度13 m/min、沉積速度1.4 m/min 制備出耐磨性與母材相當(dāng)、晶粒明顯細(xì)化的WE-33M（主要元素成分為：Mg-3.99Al-0.81Zn-0.39Mn）鎂合金沉積層，Al，Mn 等合金元素的添加可以有效提高沉積層合金化，促進(jìn)了沉積層晶粒細(xì)化，加上電弧壓力的攪拌，合金元素更均勻地分布在沉積層中。相比之下，通過開發(fā)特定成分的WAAM 鎂合金對于增材制造來說具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

3.4 等離子體電弧增材制造

等離子體電弧增材制造（PAW）與GTAW 具有相似之處，它們都使用非消耗性的鎢電極在惰性保護(hù)氣體下與工件形成電弧，但鎢電極從GTAW 的保護(hù)氣體噴嘴中伸出（圖6（b）），而凹進(jìn)PAW 的孔氣體噴嘴中（圖6（d））。PAW 是一種高能量密度的工藝，通過在鎢電極和金屬之間建立的狹窄等離子弧加熱金屬，從而熔化并連接金屬［64-65］。

PAW 中氣體分為兩部分，其一是鎢電極與內(nèi)部噴嘴之間的氣體，氣體被電離為等離子氣體，在電極和工件之間引發(fā)等離子弧，另一部分是內(nèi)部噴嘴與外部噴嘴之間的惰性保護(hù)氣體，以保護(hù)沉積金屬［64］。

鎂的彈性模量比其他金屬更接近天然骨的彈性模量，可以減少應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象；此外，鎂的分解對人體無害，因為它是人體必需的元素，其分解產(chǎn)物很容易通過尿液排出體外。AZ91D 可以通過PAW 工藝制備樣品，圖11 為PAW 工藝制備AZ91D 鎂合金的工藝窗口，在中等電弧電流（30~40 A）和相對較低的送絲速度（<160 mm/min）工藝參數(shù)下制備的樣品效果最好。與擠壓絲材微觀組織相比，PAW AZ91D 鎂合金構(gòu)件中高密度的第二相粒子Al5Mg11Zn4分散均勻，第二相粒子具有腐蝕屏障作用，因此，PAW AZ91D 鎂合金構(gòu)件具有良好的耐蝕性，EIS 結(jié)果也顯示，PAW 工藝生產(chǎn)的AZ91D 鎂合金比鑄造的AZ91D 鎂合金具有更高的耐蝕性。PAW工藝制造AZ91D 鎂合金在生物醫(yī)學(xué)方面具有巨大的應(yīng)用潛力［53-54］。

圖11 AZ91D 鎂合金PAW 工藝窗口［53］Fig.11 PAW process window of AZ91D magnesium alloy［53］

綜上所述，WAAM 成形件的力學(xué)性能在很大程度上取決于其微觀組織。在WAAM 鎂合金過程中，可以通過控制電弧電流、送絲速度、沉積速度等參數(shù)來改變構(gòu)件內(nèi)部顯微組織的取向、大小和形態(tài)等。如表2 所示，各種WAAM 工藝成形鎂合金的相組織種類與鑄態(tài)合金中的第二相幾乎變化不大，只是相的分布、大小發(fā)生了變化，相的分布更均勻，尺寸更細(xì)小，從而成形件的力學(xué)性能要優(yōu)于鑄態(tài)合金的力學(xué)性能。另外，增材制造鎂合金的微觀組織與各種工藝的特性也有很大關(guān)系，CMT 模式下較低功率輸入對于成形過程中熔滴過渡具有更精確的控制，這為高效率地制造組織性能優(yōu)異的鎂合金提供了解決方法，降低了鎂合金組織中引入氧化夾雜的風(fēng)險。但是，由于CMT工藝特性，絲材充當(dāng)電極，對絲材的質(zhì)量具有很高的要求，絲材容易造成電弧的不穩(wěn)定性，容易導(dǎo)致成形過程中斷。而GTAW 和PAW 工藝采用非熔化極，成形過程中電弧穩(wěn)定，但是這兩種方法的絲材送進(jìn)方向?qū)Τ练e層的微觀組織有顯著影響，這就使得成形過程的合理規(guī)劃變得更加復(fù)雜。

4 結(jié)束語

隨著增材制造技術(shù)在航空航天、武器裝備等領(lǐng)域不斷取得重要進(jìn)展，鎂合金WAAM 技術(shù)也得到了廣泛的關(guān)注，但相對于其他鈦合金、鋁合金、鎳基合金等，鎂及鎂合金WAAM 技術(shù)在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)方面至今還處于起步階段，還有眾多的科學(xué)問題需要深入研究，實現(xiàn)增材制造鎂合金產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走。目前存在的問題以及今后主要的研究方向如下。

（1）鎂合金絲材種類偏少，主要為AZ 系合金類絲材。這歸因于鎂合金密排六方結(jié)構(gòu)，室溫下滑移系較少，其絲材難以制備，但隨著WAAM 鎂合金技術(shù)的發(fā)展，對高性能鎂合金WAAM 的需求定會越來越大，特別是對于高性能鎂稀土合金WAAM 的需求，高性能鎂稀土合金相較于普通鎂合金材料，其在添加稀土后，具有強(qiáng)度高、韌性好、耐熱耐蝕等顯著優(yōu)勢，解決了制約鎂合金材料廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。基于此，對絲材的制備工藝問題應(yīng)得到足夠的重視，開發(fā)適合于高性能WAAM 鎂合金的絲材有著重要意義。

（2）解決鎂合金WAAM 過程中的形性可控。在WAAM 過程中，控形與控性是WAAM 中的關(guān)鍵指標(biāo)，即宏觀控形和微觀控性，宏觀控形主要指控制WAAM 過程中鎂合金部件的翹曲變形、開裂、飛濺等；微觀控性主要指控制部件的孔隙率、相變、晶粒尺寸等。對鎂合金WAAM 的研究可以發(fā)現(xiàn)，最佳的熱輸入條件有利于改善鎂合金WAAM 構(gòu)件的宏觀結(jié)構(gòu)、微觀組織和力學(xué)性能。通過控制送絲速度、沉積速度、電流大小等工藝參數(shù)從而改善熱輸入條件，以獲得良好的宏觀結(jié)構(gòu)，這有利于整體構(gòu)件的成型。熱輸入對微觀結(jié)構(gòu)的晶粒大小有很大的影響，不同層結(jié)構(gòu)的晶粒大小存在差異，而微觀組織決定著整體構(gòu)件的力學(xué)性能。在鎂合金WAAM 過程中，其熔池較小，理論上，小的熔池冷卻速度快，鎂合金在強(qiáng)非平衡態(tài)下凝固，這將影響晶粒的大小，影響了力學(xué)性能。解決鎂合金WAAM 過程中的控形與控性，需要實現(xiàn)材料性能-增材設(shè)備-結(jié)構(gòu)設(shè)計-增材工藝的一體化調(diào)控與優(yōu)化。

（3）通過輔助工藝來優(yōu)化電弧增材制造鎂合金構(gòu)件的性能。輔助工藝部分方法可以從根本上改變當(dāng)前電弧增材制造技術(shù)中存在的一些問題，這對于電弧增材制造的發(fā)展十分必要。如后處理是保證電弧增材制造構(gòu)件性能的一種重要輔助工藝，通常用于減低殘余應(yīng)力及變形、細(xì)化晶粒、增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度與硬度，常見的后處理有熱處理、噴丸和超聲沖擊強(qiáng)化等。今后，需研究通過輔助工藝優(yōu)化電弧增材制造鎂合金構(gòu)件，以減少缺陷和提高性能。

（4）推進(jìn)鎂合金WAAM 的開發(fā)應(yīng)用。鎂合金是目前世界上最輕的結(jié)構(gòu)材料，采用鎂合金生產(chǎn)零部件，可減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低能源消耗，減少污染物排放等，WAAM 作為最前沿、最有潛力的3D 打印技術(shù)，研究人員正在將WAAM 應(yīng)用于鎂合金，以克服傳統(tǒng)制造難以實現(xiàn)的需求。目前，鎂合金WAAM 的研究主要是針對AZ 系鎂合金，鎂合金（如AZ31）絕對強(qiáng)度低（低于250 MPa），難以滿足如航天類構(gòu)件的力學(xué)性能指標(biāo)要求，而對于其他鎂合金的研究尚處空白，對于高性能鎂合金WAAM 的開發(fā)具有重要甚至顛覆的意義，需要科研人員的共同努力。