螺旋振荡(Spiral Oscillation, SO)调控显微组织突破丝弧定向能量沉积(Wire-Arc Directed Energy Deposition, WA-DED) AZ31镁合金各向异性强韧性壁垒：实验与模拟结合研究

《Journal of Magnesium and Alloys》：Breaking the anisotropic strength-ductility barrier in WA-DED AZ31 Mg alloy via spiral oscillation-enabled microstructure control: a combined experimental and simulation study

　　

在该研究中，研究人员将螺旋振荡(Spiral Oscillation, SO)策略应用于从根本上改变凝固行为，以制备具有前所未有的各向同性和增强性能的AZ31 Mg构件。SO策略的沉积电流、沉积速度、振荡幅值和振荡间隔分别为110 A、5 mm/s、4 mm和3 mm。研究人员建立并采用了多尺度有限元-锐界面(Finite Element-Sharp Interface)模型，首次模拟丝弧定向能量沉积(WA-DED)过程。通过结合电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope, TEM)和模拟，定量揭示了SO策略的影响及其潜在机制。结果表明，SO策略将流动模式从对称马兰戈尼涡(Marangoni vortices, 0.1–1.1 m/s)转变为复杂非对称流动(0.2–1.2 m/s)，产生强烈的流体涡旋诱导枝晶破碎。其还产生具有低温度梯度(～0.03 K/μm)和高冷却速率(～537.5 K/s)的独特热场，其中热过冷主导形核。这些协同效应促进广泛的异质形核并推动稳健的柱状晶向等轴晶转变(Columnar-to-Equiaxed Transition, CET)。因此，SO制备的构件表现出优异的各向同性以及强韧性的协同提升，极限抗拉强度达到231 MPa，延伸率达到16.1%，分别较直线(Straight Line, SL)策略提高了38%和151%。此外，研究人员建立了关于热流动力学演化的基本见解，包括诱导枝晶破碎的非对称流场产生以及热过冷驱动的等轴晶形核。总的来说，这些发现为推进Mg合金的WA-DED提供了坚实的理论基础。

研究背景方面，近年来国防、航空航天和汽车工业对轻质材料的需求增长推动了镁(Mg)合金的研究，因其低密度和高比强度。然而，传统制造方法的固有局限阻碍了其广泛应用，包括室温成形性差、加工过程中强基面织构发展以及易形成缺陷。这些问题促使研究人员关注能够克服障碍并同时增强Mg合金构件机械性能的先进制造技术。增材制造(Additive Manufacturing, AM)作为新兴技术可实现金属粉末或丝材的逐层堆积，其中丝弧定向能量沉积(Wire-Arc Directed Energy Deposition, WA-DED)相比粉末基方法具有沉积率高、生产成本低和提高安全性等优势，冷金属过渡(Cold Metal Transfer, CMT)变体进一步增强了工艺稳定性。现有研究表明WA-DED可用于Mg合金制造，但常规直线(Straight Line, SL)策略导致快速凝固和复杂热历史下的不可控柱状生长，造成沉积方向(Deposition Direction, DD)与建造方向(Build Direction, BD)显著的力学性能各向异性，报道中WA-DED AZ31 Mg合金沿DD的极限抗拉强度(Ultimate Tensile Strength, UTS)与BD差异超过28%，即使脉冲电流技术仍存在各向异性。粗大的柱状晶粒是导致各向异性的重要因素，现有减各向异性方法常需额外设备或步骤，弧振荡单独作用对熔池温度流场、凝固显微组织演化、晶粒细化内在机制及力学各向异性改善的直观定量分析仍不足。为此，研究人员在WA-DED AZ31 Mg合金中引入螺旋振荡(Spiral Oscillation, SO)路径策略，结合系统实验表征与新开发的多尺度有限元-锐界面模型对比研究SL与SO沉积过程，定量阐明SO路径改变熔池温流场、促进枝晶破碎与异质形核及驱动柱状晶向等轴晶转变(Columnar-to-Equiaxed Transition, CET)的机制，建立振荡辅助WA-DED的工艺-显微组织-性能关系以提供基础见解与实用途径。

关键技术方法方面，研究人员使用直径1.2 mm的AZ31 Mg合金丝材为原料，在Fronius CMT TPS 400i电源与Yaskawa YRC1000焊接机器人组成的WA-DED系统上采用SL与SO（振幅4 mm、间隔3 mm）两种路径沉积，参数设为电流110 A、速度5 mm/s、氩气流量20 L/min、层间冷却至50°C制备10层薄壁构件。显微表征使用SEM配EBSD与能谱仪及TEM，拉伸样横截面10 mm×1.5 mm、标距30 mm，用Shimadzu AGS-X试验机以0.6 mm/min测试。模拟方面开发多尺度有限元-锐界面模型，微观用Ansys Fluent自定义热源耦合计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)模拟熔池演化获温度梯度与冷却率作为亚微观锐界面模型输入研究显微组织形成，有限元采用双椭球热源、时间步0.0001 s、最小网格0.25 mm模拟单道沉积，锐界面模型依据有效过冷度与临界形核过冷度判定异质形核。

研究结果部分保留小标题说明如下。3.1 Geometric features（几何特征）：研究人员通过观察SL与SO构件BD-TD面形貌发现，SL因电弧垂直DD能量集中呈倒锥形熔池且穿透深，SO因螺旋轨迹能量分布分散穿透浅并形成丘状融合边界，相同层数下SO构件建造高度更高且表面更平滑层 Consolidation 更均匀。3.2 Microstructure and texture analysis（显微组织与织构分析）：3.2.1 Grain structures and textures（晶粒结构与织构）：EBSD表征显示SL构件各区域层内为粗柱晶、层间细晶且自上而下柱晶减少等轴晶增加、平均晶粒尺寸100.1 μm降至82.4 μm、长宽比3.2降至2.4；SO构件各区域以等轴晶为主仅少量柱晶，顶部平均晶粒84.2 μm降至底部74.8 μm、长宽比2.1降至2.0，顶部晶粒尺寸较SL减小15.9%、长宽比降34.3%，极图分析显示SO织构强度弱于SL且无显著主导织构。3.2.2 Second-phase formation（第二相形成）：SEM统计SL第二相平均尺寸顶部1.2 μm到底部1.0 μm、顶部粗颗粒多；SO第二相尺寸更细且>2 μm粗颗粒较SL减少至少82.1%、分布更均匀，EDS与点分析表明两者均为α-Mg基体含Al₈Mn₅与Al₈Mn₄Y相，SO未改变相类型仅调整分布与尺寸；TEM显示两者均有纳米级Al₈Mn₅与Al₈Mn₄Y颗粒，SO纳米颗粒分布均匀性显著提升且Al₈Mn₄Y尺寸更小。3.3 Mechanical properties and fracture analysis（力学性能与断裂分析）：硬度测试SO平均53 Hv高于SL的50 Hv；SO沿BD与DD的屈服强度(Yield Strength, YS)≥100 MPa、UTS≥231 MPa、延伸率(Elongation, EL)≥16.1%，较SL最低提升15%、38%、151%，SL应力应变曲线发散显各向异性而SO两方向几乎一致近各向同性；应变硬化率(Strain Hardening Rate, SHR)分析显示SO全程较高且后期稳定变形能力增强；断口SEM显示SL以解理河流花样为主显脆性，SO均匀分布细深韧窝显延性断裂。

讨论部分总结：研究人员通过单道多层实验与有限元模拟对比熔池形态，SL熔池深、SO熔池浅宽，模拟与实验吻合验证模型可靠，SL熔池温度梯度～0.38 K/μm高于SO的～0.03 K/μm。流场分析表明SL为轴对称对称马兰戈尼双涡结构流速0.1–1.1 m/s促柱晶生长；SO因滴液斜撞产生偏心流与复杂多涡结构流速0.2–1.2 m/s，搅拌减温梯促热均匀与枝晶破碎。锐界面模拟输入温梯与冷速（SL为0.37 K/μm与440 K/s、SO为0.03 K/μm与537.5 K/s）设初始异质核数SL为22、SO为34，SL呈层状凝固柱晶主导，SO呈糊状凝固等轴晶随机形核竞争生长与实验一致；过冷度分析表明热过冷ΔT_t是WA-DED体液相总过冷ΔT_total的主要贡献者，SO平坦温场与高冷速使热过冷更高促形核。示意图对比表明SL熔池自下而上柱晶增多，SO因强涡旋减温梯与机械破碎枝晶增形核位点使全熔池维持等轴晶，SO通过同步改性热条件、流场与形核条件抑制柱晶促CET实现各向同性，该振荡策略有望拓展至其他合金系统需优化参数。

研究结论部分翻译：在该研究中，研究人员将SO策略引入WA-DED AZ31 Mg合金以抑制粗大柱晶生长并改善力学各向异性。基于实验表征与多尺度模拟结合方法，深入研究了沉积过程中热流动力学演化、诱导枝晶破碎的非对称流场形成以及热过冷驱动等轴晶形核机制，主要结论如下：(1) SO策略将SL沉积产生的柱晶/细晶结构转变为均匀等轴晶结构，同时将>2 μm粗第二相颗粒减少至少82.1%并促进纳米级析出物更均匀分布。(2) 模拟显示SO策略将熔池流动从对称马兰戈尼涡(0.1–1.1 m/s)转变为复杂非对称涡(0.2–1.2 m/s)，产生更强流体对流促进枝晶破碎与热分布均匀。(3) 与SL沉积相比，SO策略产生更低温度梯度(～0.03 K/μm)与更高冷却速率(～537.5 K/s)，增加热过冷与活性形核位点从而推动CET。(4) SO构件在所有测试方向表现优异力学各向同性与拉伸性能，YS≥100 MPa、UTS≥231 MPa、EL≥16.1%，分别对应较SL构件提高约15%、38%与151%。该研究发表在《Journal of Magnesium and Alloys》。