综述：镁合金冷金属过渡电弧丝材定向能量沉积

《Next Materials》：Cold metal transfer wire arc direct energy deposition of Mg alloys: A review

　　

面向汽车与航空航天领域大型镁（Mg）合金构件增材制造（AM）的需求，丝材-电弧定向能量沉积（WDED）因其可扩展性增强、生产效率高、制造系统成本低以及易于与多种辅助加工技术集成，正逐渐成为一种具有吸引力的工艺。然而，WDED 在逐层沉积过程中会向构件输入较高热量，从而导致显著的热积累。该热积累会诱发热梯度，进而导致残余应力累积、表面质量下降、构件变形以及最终构件中粗大柱状晶的形成。在现有抑制热积累的多种策略中，基于冷金属过渡（CMT）的 WDED 被认为最具发展前景。本文首先综述了镁合金 CMT-WDED 的研究现状，重点强调该工艺的实际应用特征及其物理机制，随后简要概述了镁合金凝固过程中与冷却速率相关的一般规律。接着，总结了近年来关于镁合金沉积态微观组织特征的研究进展；进一步讨论了补充性原位/非原位加工技术以及后续热处理在细化组织和提升力学性能方面的作用；最后归纳了该研究主题中仍有待解决的潜在研究方向。

Introduction
论文首先从镁（Mg）基合金的工程背景切入，指出其作为最轻质结构金属，兼具较高比强度、成熟的冶金制备基础与广泛应用潜力，在航空航天、汽车、环境、生物医用及储能等方向具有重要意义。传统铸造、变形与板材成形工艺虽已高度商业化，但在镁合金强度-塑性协同、室温成形性以及复杂大尺寸构件制备方面仍存在明显瓶颈。研究进一步指出，增材制造（AM）通过非平衡凝固、快速热循环及层间热历史耦合，可在多尺度上构建层级化微观组织，从而为优化镁合金结构性能提供新范式。相较粉床熔融（PBF）在大尺寸构件制造中面临蒸发、孔隙及冶金缺陷问题，丝材-电弧定向能量沉积（WDED）因采用丝材原料、沉积效率高、设备成本低且易扩展而更适合大型镁合金构件制造。文章据此引出冷金属过渡（CMT）辅助 WDED 的研究必要性，即通过降低热输入缓解热积累、残余应力、表面粗糙与柱状晶粗化等核心问题。

CMT WDED practical and physical aspects
该部分系统梳理了 CMT-WDED 的工艺必要性、实施方式及其物理基础。文章指出，增材制造中的输入热量直接控制温度分布、熔池尺寸、凝固动力学、组织演化与最终性能。在 WDED 中，电弧既是热源又决定熔滴过渡行为；相较钨极惰性气体保护焊（GTA）与等离子弧（PA）变体，熔化极气体保护焊（GMA）型 WDED 因熔滴质量传输而具有更高热吸收效率。研究总结了不同熔滴过渡模式与电流强度、表面张力、重力、等离子体拖曳力之间的关系，并说明 CMT 的本质在于低电流短路过渡：通过精准送丝、接触瞬时断流、回抽促滴与小电流复弧的周期控制，实现低飞溅、低热输入和较优表面成形。

在工艺实现方面，文章进一步说明了 CMT 的电流-电压波形控制，包括直流 CMT、脉冲 CMT、CMT advanced 与 CMT-pulse advanced 等模式。不同波形通过调节电弧期、基值期与短路期时序，改变热输入、送丝速度和沉积效率。作者还概述了典型设备组成，包括机器人控制焊枪、送丝机构、电源、保护气系统及基板-构件体系，并指出基板成分、尺寸、刚度与装夹约束会共同影响润湿、稀释、变形与残余应力分布。

在补充工艺层面，论文强调 WDED 的开放性使其便于耦合超声振动（UV）、电磁场、激光辅助、原位塑性变形以及多机器人协同制造等策略。其中，超声作用可通过空化与声流增强熔池对流、破碎枝晶并促进晶粒细化；磁场振荡可借助洛伦兹力（Lorentz force）驱动熔池搅拌，改善润湿并抑制脆性金属间化合物；原位冷却、滚压、锤击、摩擦搅拌加工（FSP）及激光/超声冲击强化等则有助于降低孔隙率、诱发表面压应力和调控织构。

在过程物理层面，作者从质量、动量与能量守恒出发讨论 CMT-WDED 的多尺度多物理场本质。熔池温度场受电弧非对称热输入、熔滴沉积速率、表面张力梯度、浮力、洛伦兹力、弧压及剪切力共同控制，数值模拟被视为理解熔池形貌与温度演化的关键工具。文章指出，电弧中心区域因压力与温度最高，易形成中心下凹与径向外流；CMT 由于在熔滴转移前切断电流并通过机械振荡完成过渡，可有效抑制大尺寸不稳定熔滴和强烈熔池翻腾，从而降低热梯度与熔池涡流，促进较浅熔深与较快凝固。但对于镁合金而言，工艺窗口仍较窄，峰值电流、峰值持续时间、基值电流和短路电流一旦过高，均可能诱发 Mg 蒸发、反冲压力与飞溅失稳。

Solidification characteristics of Mg alloys: implications of cooling rate
该部分聚焦冷却速率对镁合金凝固行为与显微组织的决定作用。作者指出，CMT-WDED 的层层沉积使传热路径随构件高度与壁厚演化：初始层主要向基板传导散热，而随构件升高，在无强制冷却条件下，热量更易积累并导致沿构建方向形成长柱状晶。镁合金因其六方密排（HCP）晶体结构及成分敏感的多样枝晶生长模式，在非均匀热梯度与缓慢散热共同作用下，会呈现复杂枝晶形貌。文中总结了温度梯度（G）、凝固速率（R）及冷却速率（G×R）对枝晶生长速度、枝晶臂间距、溶质偏析和柱状-等轴转变的影响：高 G/R 值倾向稳定定向凝固并形成柱状枝晶，而较低 G/R 值则增强成分过冷，促进异质形核与等轴晶形成。

进一步地，论文从一般规律上提出，较高冷却速率通常带来晶粒细化、固溶度提高与组织均匀化；但冷却速率若超过一定阈值，则会发生溶质捕获并抑制析出相形成，且该阈值具有明显成分依赖性。围绕弧增材镁合金的冶金挑战，作者系统讨论了孔隙、凝固裂纹、液化裂纹以及熔合区组织粗化等问题。孔隙主要与氢（H）在液-固两相中的溶解度差异有关，也可能与 Mg、Al、Zn 等低沸点元素蒸发形成的匙孔效应相关；凝固裂纹受合金凝固温度范围、糊状区宽度和晶粒形态影响，细化晶粒与促进等轴组织有助于缓解热收缩应力；液化裂纹则与晶界液膜连续化、析出相与基体之间的共晶液化及热循环增强扩散密切相关。作者据此指出，控制热积累、避免析出相粗化并在熔合区实现细晶化，是 CMT-WDED 镁合金组织设计的核心目标。

Recent advances in microstructural evolution investigations of CMT WDED Mg alloys
该部分按合金体系归纳了沉积态微观组织研究进展。对于 Mg-Al 系合金，文章指出典型组织特征为沿构建方向存在显著异质晶粒尺寸分布：靠近基板区域因较大局部过冷度与较快界面推进速率形成等轴晶，而中上部因热积累增强与热梯度变陡，逐渐转变为柱状晶，并伴随硬度下降与强基面织构。ATZM31 与 AZ31 的差异主要来自 Sn 对凝固路径和相形成的调控：前者倾向形成 η-Al₈Mn₅ 并抑制 β-Mg₁₇Al₁₂ 共晶，而后者则表现为 α-Mg 基体、晶界共晶 α-Mg + β-Mg₁₇Al₁₂ 以及基体内细小 η-Al₈Mn₅。热循环还会导致 Mg₁₇Al₁₂ 的溶解-再析出及 α-Mg 再结晶。

对于 Mg-稀土（RE）系合金，作者重点分析了 Mg-Gd-Y-Zn-Zr、Mg-Y-Nd-Zr 及 Mg-Nd-Zn-Zr 等体系。此类合金的熔池尺寸、位错密度、织构与第二相析出对应于热积累高度敏感。Mg-Gd-Y-Zn-Zr 合金中，初始层较高冷却速率有利于在晶界形成长周期堆垛有序（LPSO）18R 结构及少量 Mg₅(Gd, Y, Zn)，而上部层冷却减缓后则更易形成 Mg₂₄(Gd,Y)₅ 或其他共晶相。不同研究中关于 LPSO 相优先生长位置与共晶相晶体学类型存在差异，说明该体系的非平衡凝固动力学仍有待厘清。Mg-Y-Nd-Zr 及 Gd 微合金化体系则普遍表现为熔池区粗晶、重熔区细晶的交替带状结构，并伴随 Mg₂₄RE₅、Mg₃Nd、Mg₁₄Nd₂(Y,Gd) 等多尺度析出相的空间分布差异。Mg-Li 基合金则表现出 α-Mg / β-Li 双相组织及明显冷却速率控制下的板条、针状或短棒状形貌变化，且沉积方向上重熔区与层内区域之间存在显著组织不均匀性。

Supplementary processing techniques for tailoring the microstructure of CMT WDED Mg alloys: Implications for mechanical performance
该部分综述了多种原位与非原位辅助技术对组织调控和力学性能提升的作用机制。对于 Mg-Al 系合金，原位锤击强化可在沉积层表层引入高位错密度梯度组织，通过孪生、位错墙形成与动态再结晶实现显著晶粒细化，并提升显微硬度、屈服强度与抗拉强度。层间摩擦搅拌加工（IFSP）则通过剧烈塑性变形和摩擦热使粗大共晶 β-Mg₁₇Al₁₂ 溶解、Al-Mn 相细化以及 α-Mg 再结晶，从而构建粗细晶交替梯度组织并显著提升强塑协同。

超声振动辅助 CMT-WDED 被认为是促进柱状-等轴转变（CET）的高效手段。其核心机制包括空化气泡崩塌引发枝晶破碎、声流增强传热传质、降低热梯度并促进成分过冷和异质形核；同时还能细化 η-Al₈Mn₅ 与 Mg₁₇Al₁₂，减轻液化裂纹并改善孔隙形态。非原位表面工程方面，激光冲击强化（LSP）可在约 1 mm 深度内引入残余压应力并形成纳米晶、孪晶与析出相细化层；低塑性滚压（LPB）则在兼顾表面质量的同时实现表层硬化、晶粒细化和压应力叠加。除此之外，通过 CMT 焊枪摆动、原位引入 SiC 颗粒、低温冷却、水冷及路径规划优化等方式，也可从降低热梯度、增加形核核心或强化冷却等角度改进组织均匀性与性能。

对于 Mg-RE 系合金，文章强调主动冷却的热管理价值。通过在基板下方及构件前后布置循环水冷通道，可有效提升对流散热、降低热积累和局部热梯度，促进晶粒轻微细化、晶界共晶显著细化以及 Zr 在基体中的更均匀分布，同时抑制亚稳析出相粗化，从而提高强度与延性。

Post process heat treatments for optimized microstructure- mechanical properties
该部分总结了后处理热处理对沉积态组织和力学性能的重构作用。对于 AZ91 等 Mg-Al 系合金，CMT-WDED 组织在固溶处理（SHT）与时效后表现出区别于铸态材料的快速析出动力学，连续与不连续 β-Mg₁₇Al₁₂ 可在较短时效时间内大量形成，其原因与细晶组织、高比例晶界及层间重熔区 Al 偏聚密切相关。对于 Mg-Gd-Y-Zn-Zr 系合金，热处理设计需兼顾晶界共晶相完全溶解与细晶组织保持两项要求。适当 T4/T6 处理可消除晶界共晶偏析，形成 14H-LPSO 相以及纳米 β′、β″ 等强化析出物；但温度过高会导致晶粒粗化，温度不足则难以完全均匀化。Mg-Gd-Y-Zr、Mg-Y-Nd-Gd-Zr 等体系同样表明，合理固溶与时效可通过调控 β′、β₁、β″、LPSO 相及稀土富集立方相的类型、尺寸与分布，实现强度与塑性的平衡，但不同成分体系对热处理窗口极为敏感，且常存在强度提升伴随延性下降的矛盾。

Deformation behaviour
在力学响应方面，论文指出当前研究主要集中于单轴拉伸，且 Mg-Al 系合金更多依赖辅助加工而非热处理来改善性能。已有结果表明，CMT-WDED 与 IFSP 结合后，AZ91 合金在沉积方向与构建方向均可获得优异强塑协同，断裂模式也由晶间断裂转变为穿晶断裂，说明梯度组织、细晶强化与几何必需位错（GND）累积对塑性损伤演化具有重要调节作用。Mg-RE 系合金则主要通过 T4/T6 处理调控力学性能，Zn 微合金化虽可提高屈服强度与抗拉强度，但往往以牺牲延性为代价，其本质与 LPSO 相、γ″、γ′、β′ 等纳米析出物网络对位错运动的强阻碍有关。文章还指出，热压缩研究显示 CMT-WDED 镁稀土合金在高温低应变速率条件下峰值流动应力下降，且相较铸造均匀化态材料更易发生动态再结晶，这为后续轧制、锻造等热机械复合加工与工艺窗口建立提供了依据。

Concluding remarks
综上，论文认为 CMT-WDED 通过低热输入熔滴过渡显著改善了镁合金弧增材制造中的飞溅、氧化、热积累与组织粗化问题，并在外场辅助、热管理与后续热处理协同下展现出较强的组织调控潜力。当前主要瓶颈仍包括 Mg-Al 系合金热处理研究不足、Mg-RE 系辅助加工研究有限、断裂韧性/疲劳/蠕变等服役性能数据缺乏，以及形状控制与尺寸稳定性问题仍待突破。未来研究应进一步强化合金设计、热管理、复合外场协同、路径规划与多性能评价，以推动 CMT-WDED 镁合金从实验研究走向大尺寸高可靠构件制造。