激光束振荡与热处理对激光-电弧混合增材制造AZ91镁合金的影响

《Optics & Laser Technology》：Effect of laser beam oscillation and heat treatment on AZ91 Mg alloy fabricated via laser-arc hybrid additive manufacturing

　　

摘要

针对传统激光-电弧复合增材制造（LAHAM）制备的镁合金中固有的微观结构缺陷，本研究采用激光束振荡结合T6热处理工艺对AZ91合金进行处理，系统研究了其微观组织演变及潜在强化机制。结果表明，振荡激光束的应用有效消除了传统方法制备合金中常见的孔隙。此外，晶粒尺寸从54.0 μm显著细化至25.4 μm，同时织构强度明显降低。这些变化使微观结构均匀性得到大幅提升，主要归因于熔池热行为的改变。数值模拟结果显示，振荡激光诱发了周期性热加载和强烈的熔池搅拌作用，使最大流速从0.95 m/s提升至4.19 m/s。在随后的T6热处理过程中，再结晶进一步将晶粒尺寸细化至14.5 μm，同时位错密度降低，析出相含量增加。这些微观结构改善提升了力学性能：应用振荡激光束后，极限抗拉强度（UTS）和延伸率（Elo）分别从196 MPa和10.8%提升至240 MPa和23.5%。显微硬度也从54.5 HV0.3增至64.5 HV0.3。热处理后，UTS进一步提升约30 MPa，Elo略有改善，显微硬度增至73.1 HV0.3。

引言

AZ91镁合金凭借其低密度、高比强度和优异的减振性能，已成为各工业领域的重要材料 [1]、[2]、[3]。其在汽车、航空航天、电子及医疗器械等领域的应用日益广泛 [4]、[5]。作为最常见的铸造镁合金，AZ91通常通过铸造工艺制备。然而，其较高的化学反应活性容易引发典型的铸造缺陷，如气孔、热裂纹和非金属夹杂物，严重损害铸件的完整性 [6]、[7]。此外，铸态AZ91镁合金的塑性变形能力较差，在复杂几何形状部件的制造中面临较大挑战 [8]、[9]。这一局限性制约了其在高性能结构件中的应用。

近年来，增材制造（AM）技术在AZ91镁合金制备中备受关注。该技术通过逐层沉积的方式快速形成复杂形状部件 [10]、[11]。因此，增材制造技术能够克服传统铸造和机械加工方法在几何复杂度、材料利用率和生产周期方面的局限 [12]、[13]。镁合金常用的增材制造技术包括选择性激光熔化（SLM）、电弧增材制造（WAAM）和激光-电弧复合增材制造（LAHAM） [14]、[15]。

SLM是主流的激光增材制造技术，利用高能激光束选择性熔化金属粉末并逐层构建零件。得益于高材料利用率、优异的成形自由度和出色的尺寸精度，SLM被广泛用于制造复杂的整体结构件 [16]、[17]。然而，镁合金粉末在高温下活性极高，容易发生氧化、燃烧甚至爆炸，带来严重的安全风险 [18]、[19]。WAAM是一种利用电弧熔化金属丝进行逐层成形的技术。凭借其设备投入低和沉积效率极高的特点，WAAM在大型结构件的制造中展现出独特优势 [20]、[21]。但它也具有一定的局限性，包括尺寸精度较低、微观结构不均匀以及较高的热裂倾向 [22]、[23]。

LAHAM结合了激光和电弧热源的优势，在成形精度、效率、微观结构控制和成本之间实现了良好平衡 [24]、[25]。Ge等人通过LAHAM制备了Mg-Gd-Y-Zr合金，与WAAM相比，其晶粒尺寸和织构强度分别降低了约26%和27%。LAHAM试样的抗拉强度和屈服强度分别达到254 MPa和175 MPa [26]。Liu等人证明LAHAM具有稳定的成形过程，成形缺陷更少。与WAAM相比，LAHAM制备的铝合金热影响区更窄，元素分布更均匀 [27]。Xu等人通过LAHAM制备了Ti6Al4V梯度材料，该材料具有高耐磨性和优异的综合力学性能。这些研究共同表明LAHAM在镁合金部件生产中具有广阔的应用前景 [28]。然而，所制备的试样仍存在孔隙率较高、晶粒粗大和微观结构均匀性差等问题，限制了其在高性能结构件中的实际应用 [29]、[30]。

幸运的是，近年来高频振荡激光束的发展为解决上述缺陷提供了一条有前景的策略。该技术通过高频光束振荡有效搅拌熔池，促进气体逸出并减少气孔的形成 [31]。此外，熔池的动态扰动有助于打碎柱状晶，从而实现晶粒细化和微观结构均匀性的改善 [32]。Gao等人将光束振荡引入AZ31镁合金的LAHAM工艺中，振荡激光束有效抑制了未熔合、波浪形凸包和气孔等缺陷。试样晶粒尺寸从32 μm细化至20 μm，析出相含量也有所增加 [33]。He等人报道，振荡激光-电弧复合增材制造（O-LAHAM）将孔隙率从传统WAAM的10.07%大幅降低至仅0.73%，这归因于对熔池的搅拌作用 [34]。Ma等人声称，O-LAHAM制备的Al-Mg-Sc合金在振荡幅度为4 mm时达到最佳力学性能，抗拉强度和延伸率分别为353 MPa和24%，分别提升了13.5%和50% [35]。Meng等人采用O-LAHAM结合同步丝粉混合送丝技术制备了铝合金薄壁结构件 [36]。他们的研究表明，添加Mg粉可优化液滴传输行为、提高成形精度，并促进Mg2Si强化相的析出。同时，引入振荡激光束可消除气孔并促进Mg粉的均匀分散，协同提升沉积件的抗拉强度。

热处理作为消除累积位错和均匀化微观结构的不可或缺的后续处理手段，对于优化增材沉积试样的微观结构和调控力学性能同样至关重要 [37]。Liu等人指出，热处理促进了激光-电弧复合增材制造的Al-Zn-Mg-Cu合金中纳米析出相的形成。此外，热处理还显著降低了微观结构和性能的各向异性 [38]。此外，他们还发现，热处理后屈服强度和抗拉强度分别为318 MPa和362 MPa，分别提高了约58%和51% [39]。Chen等人发现，通过LAHAM制备的Ti-6Al-4V合金在固溶时效热处理后微观结构转变为篮式结构，冲击韧性提高了66.7% [40]。

综上所述，LAHAM在AZ91镁合金部件制备中具有显著优势。然而，目前关于AZ91镁合金的增材制造研究大多仅关注WAAM或SLM，而关于AZ91合金LAHAM的研究仍然十分有限。本研究采用LAHAM制备了AZ91镁合金试样，并创新性地集成了激光束振荡熔池调控与T6热处理工艺，这在其他相关工作中鲜有报道。激光束振荡消除了气孔并实现了初级晶粒细化，随后的热处理进一步细化晶粒并精确调控析出相，从而实现了微观组织优化与性能提升的协同效应。结合熔池流动数值模拟、微观组织表征和力学性能测试，本文揭示了两种工艺耦合的强化-增韧机制，建立了熔池流动特征、晶界特征、析出相演变与试样力学性能之间的关联。研究结果有助于深入理解LAHAM在镁合金中的应用，并为拓展其在轻量化结构件制备等领域的应用提供理论和技术支持。

章节片段

实验方法

基体材料为10 mm厚的AZ91镁合金，采用直径1.0 mm的AZ91镁合金丝作为沉积材料。其化学成分见表1。增材制造前，对基体表面进行刷除处理以去除氧化层，随后用酒精清洗。如图1所示，实验设备包括FANUC机器人、IPG激光源和Fronius弧焊机。本研究所采用的实验参数包括激光功率为

宏观形貌

引入和未引入振荡激光束的沉积试样宏观形貌如图4所示。两种试样均表现出良好的成形质量和优异的表面尺寸精度。然而，由于镁合金熔点低且化学活性高，在激光-电弧增材制造过程中熔池容易不稳定，匙孔塌陷进一步引发气孔缺陷。因此，大量气孔

气孔抑制和晶粒细化机制

结果表明，在镁合金的LAHAM制备过程中容易形成大量气孔，而激光束振荡能够有效缓解此类气孔缺陷。Mg合金对氢具有较高溶解度，因此极易形成气孔。在增材制造过程中，填充丝表面的污染物（如氧化膜和油污）发生反应常会产生氢气 [49]。此外，高化学

结论

本研究系统考察了激光振荡和热处理对激光-电弧复合增材制造镁合金微观组织演变和力学性能的影响。主要结论如下：

• 1.
  在激光-电弧复合增材制造过程中，直接沉积试样中固有地产生了严重的气孔缺陷和密集位错，导致微观结构分布不均匀。
• 2.
  振荡激光束实现了

作者贡献声明

徐国达：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，概念构思。林志成：数据整理。邹浩鳌：形式分析。冯迪坤：项目管理。陈孙：软件。韩东升：形式分析。张红海：资源，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金重点项目（U2133207）的资助。

徐国达|林志成|邹浩鳌|冯迪坤|陈孙|韩东升|张红海