电脉冲处理加速电弧增材制造Mg-RE-Zn合金相变及其性能提升机制研究

本研究针对增材制造(AM)镁合金非平衡组织调控难题，创新性地采用高电流密度(805 A·mm?2)电脉冲(EP)处理替代传统固溶工艺，在10分钟内实现(Mg,Zn)3(Gd,Y)共晶相向长周期堆垛有序(LPSO)结构的快速转变，使WAAM制备的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金抗拉强度提升7%、均匀延伸率提高42%，为镁稀土合金的高效后处理提供了新范式。

　　

在金属增材制造领域，镁稀土(Mg-RE)合金因其优异的比强度和生物相容性备受关注，但电弧增材制造(WAAM)过程中快速冷却形成的非平衡组织严重制约材料性能。传统固溶处理虽能改善组织均匀性，但存在能耗高、周期长等问题，这与当前绿色制造理念背道而驰。更棘手的是，Mg-Gd-Y-Zn-Zr等合金中(Mg,Zn)₃(Gd,Y)共晶相的顽固性使得常规热处理难以在短时间内实现理想的长周期堆垛有序(LPSO)结构转变——这种具有纳米层片特征的结构正是提升镁合金力学性能的关键。

针对这一瓶颈问题，中国科学院金属研究所的研究团队在《Materials Characterization》发表创新成果，首次将高能电脉冲处理(EP)应用于WAAM镁合金的后处理。研究人员采用2400μs脉宽、805 A·mm^?2电流密度的参数组合，仅用10分钟就完成了传统工艺需数小时才能实现的相变过程。通过同步辐射等表征手段发现，EP处理不仅使初始共晶相完全溶解，更诱发了LPSO结构的爆发式析出。这种"溶解-析出"耦合效应使材料抗拉强度从223.5±4.2 MPa提升至239.8±8.7 MPa，更令人惊喜的是均匀延伸率从5.7±0.7%跃升至8.1±0.9%，实现了强度-塑性的协同提升。

关键技术包括：1) 设计定制化EP处理系统实现805 A·mm^?2超高电流密度；2) 采用EBSD和TEM解析LPSO结构演变规律；3) 通过原位X射线衍射追踪相变动力学过程；4) 使用WAAM制备标准拉伸试样。

研究结果揭示：

1. 微观组织演变：EP处理引发电子风力效应，使溶质原子扩散速率提升3个数量级，共晶相在脉冲作用下发生解离，Zn、RE元素快速重排形成10-100 nm尺度的LPSO片层。
2. 力学性能提升：拉伸测试显示断裂机制从共晶相界面开裂转变为LPSO结构协调变形，裂纹扩展路径呈现典型的阶梯状特征。
3. 能效分析：与传统520°C×3h处理相比，EP工艺能耗降低89%，碳足迹减少92%。

该研究开创了镁合金增材制造后处理的新范式：一方面证实了EP处理在调控亚稳相变方面的独特优势，为开发新型高强韧镁合金提供了理论依据；另一方面，其"秒级"处理的特性完美匹配增材制造的连续生产需求，有望推动镁合金在航空航天、生物医疗等领域的规模化应用。特别值得注意的是，该方法对含Zn镁合金体系具有普适性，为破解稀土镁合金产业化困局提供了关键技术支撑。