基于线材摩擦搅拌增材制造的AZ31B镁合金：析出相行为与力学性能调控

为解决镁合金增材制造中易氧化、孔隙率高及力学性能各向异性等问题，哈尔滨工业大学团队开发了线材摩擦搅拌增材制造（W-FSAM）技术，通过固相沉积与剧烈塑性变形实现了AZ31B镁合金无缺陷成形。研究揭示了Al8 Mn5 析出相细化分布与Mg17 Al12 固溶-析出行为，获得平均晶粒尺寸3.79 μm的超细组织，其抗拉强度达257.3 MPa（BD）且延伸率超12%，为高性能镁合金构件制备提供了新策略。

　　

镁合金因其轻量化、高比强度等特性，在航空航天和汽车工业中备受青睐，但传统熔融增材制造技术面临氧化、孔隙和力学性能不均等挑战。尤其AZ31B镁合金在高温下的挥发性和室温成形性差，导致构件易出现层间缺陷和强基面织构，严重制约其工程应用。如何实现无缺陷成形并协调强度-塑性矛盾，成为该领域亟待突破的瓶颈。

哈尔滨工业大学的研究团队创新性地采用线材摩擦搅拌增材制造（W-FSAM）技术，通过固相沉积和连续送丝工艺，成功制备出高性能AZ31B镁合金构件。该技术核心在于旋转螺杆工具与静止肩部的协同设计：螺杆通过1800 rpm转速产生剧烈塑性变形，而肩部施加3500 N轴向压力实现致密化。研究结合EBSD（电子背散射衍射）、TEM（透射电镜）和原位拉伸测试，系统分析了微观组织演变与力学性能关联机制。

3.1 宏观结构
W-FSAM制备的构件无孔隙和层间缺陷，界面结合良好。与传统WAAM（电弧增材制造）相比，固相工艺避免了熔池波动导致的塌陷问题，且Al₈
Mn₅
相通过机械搅拌均匀分布，未出现熔凝工艺中的元素偏聚。

3.2 微观结构
平均晶粒尺寸细化至3.79 μm，较轧制基材（7.19 μm）显著降低。EBSD分析发现构件沿堆积方向（BD）呈现交替织构特征：强基面织构层（〈0001〉极密度52.23）与弱织构层（极密度8.50）间隔分布，这种结构源于螺杆长度与层厚1.5:1的匹配关系——螺杆搅拌区破坏基面织构，而肩部锻造区强化织构。

3.3 析出相行为
TEM显示Al₈
Mn₅
相在塑性变形中细化至50-150 nm，而Mg₁₇
Al₁₂
相在350℃发生固溶-再析出。通过Bramfitt错配度模型计算，Mg₁₇
Al₁₂
在Al₈
Mn₅
（111）面异质形核时错配度仅4.92%，形成低能共格界面，促进析出相稳定分布。

4.1 塑性变形机制
原位EBSD证实弱织构层通过基面滑移（Schmid因子0.46）主导变形，而强织构层依赖孪生协调。更关键的是，微米级晶粒（<5 μm）激活晶界滑动机制——拉伸过程中新晶粒从晶界处挤出，伴随晶粒旋转，显著提升延伸率。

5. 结论与意义
该研究通过W-FSAM技术实现了AZ31B镁合金高强度（257 MPa）与高延展性（12.4%）的协同，且BD与TD方向性能差异<3%。交替织构设计突破了传统剧烈塑性变形导致的强基面织构限制，而Al₈
Mn₅
/Mg₁₇
Al₁₂
共格界面调控为析出相强化提供了新思路。这项发表于《Journal of Magnesium and Alloys》的工作，为大型镁合金构件的高效、低成本制备开辟了固态增材制造新路径。