《Journal of Alloys and Metallurgical Systems》：Coupled oxidation and solidification control in wire-arc deposited Mg–Gd–Y–Zr alloy through local shielding and polarity modulation
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研究人员针对电弧熔丝沉积（wire-arc additive manufacturing, WAAM）Mg–Gd–Y–Zr合金中氧化与凝固的耦合问题，通过局部拖尾保护与极性调制实现工艺控制。研究对比了无保护、局部保护和封闭保护三种气氛条件，并采用冷金属过渡（c
研究人员针对电弧熔丝沉积（wire-arc additive manufacturing, WAAM）Mg–Gd–Y–Zr合金中氧化与凝固的耦合问题，通过局部拖尾保护与极性调制实现工艺控制。研究对比了无保护、局部保护和封闭保护三种气氛条件，并采用冷金属过渡（cold metal transfer, CMT）及CMT-Advance在正极/负极（EP/EN）比分别为0、1和5的模式，系统分析了宏观形貌、X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography, CT）可检测缺陷、高度分辨的扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）与电子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）组织、标定热参数、相证据、拉伸性能及断口形貌。结果表明，局部保护使CT可检测氧化物相关缺陷分数降低约98%，并将延伸率从5.5%提高至10.0%；热电偶标定定量了极性相关工件热输入；匹配的热描述符解析了垂直和纵向凝固不均匀性；保护还促进了更均匀的韧窝断裂。该研究建立了具有测量边界的双功能控制框架，从而区分大气保护与极性依赖的热和熔池响应。
本研究围绕电弧熔丝沉积（WAAM）Mg–Gd–Y–Zr合金中氧化与凝固的耦合控制问题展开。镁合金具有低密度和高比强度，Gd和Y的添加进一步提升了强度、抗蠕变性与热稳定性，使其适合运输和航空航天等轻量化应用。WAAM虽提供高沉积速率和机器人柔性，但开放电弧沉积过程中，氧化膜可在熔池或后行熔敷金属表面形成、折叠进入沉积层并在层间累积；同时，热积累和电弧模式会改变熔滴过渡、熔池几何与微观组织，导致空间上非均匀的凝固条件。以往研究常将氧化、标定热传递和空间凝固作为独立问题处理，而本研究旨在定量区分缺陷降低源自氧供给限制还是极性相关熔池运动，并区分平移轨道内部与末端收缩熔池及最终自由表面的凝固差异。
为此，研究人员在相同焊丝（Mg–9.54Gd–1.82Y–0.44Zr，wt.%）和沉积路径下，比较了无保护、局部拖尾保护和封闭保护三种气氛条件，并通过常规冷金属过渡（CMT）与CMT-Advance在正极/负极（EP/EN）比分别为0、1和5下隔离电弧模式效应。利用高速成像、同步电压–电流信号、X射线计算机断层扫描（CT）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、X射线衍射（XRD）、能谱分析（EDS）以及经热电偶标定的三维瞬态热模型，系统关联了宏观形貌、缺陷、凝固描述符、相组成和拉伸性能。结果表明，局部保护使CT可检测氧化物相关缺陷分数从0.02300%降至0.00047%，孔隙率从0.065%降至0.040%，并显著提高了延伸率；而极性调制将标定工件热输入从CMT的226.7 J mm?1降至CMT-Advance的103.9–113.9 J mm?1，同时改变了基体附近的热梯度与凝固速率之比（G/R），引起胞晶间距和熔敷几何的规律性变化。该研究建立了测量边界的双功能控制框架，为Mg-RE合金WAAM的氧化与凝固协同控制提供了定量依据。
关键技术方法方面，沉积系统采用Fronius CMT 4000R电源与工业机器人，行进速度10 mm s?1，送丝速度8 m min?1，层高2.3 mm，Ar流量25 L min?1。气氛条件包括无保护（环境空气）、局部拖尾保护（氧浓度点测值1880、743、2040 ppm）和封闭保护（<0.1 vol.%）。热模拟采用三维瞬态导热模型，并使用基板热电偶对模式相关响应系数ηm进行标定，进而提取热梯度G、冷却速率|dT/dt|、凝固速率R和G/R。Thermo-Calc使用TTMG4镁合金数据库计算平衡相和有限扩散凝固路径。CT以5 μm体素大小采集约1000个切片并分割缺陷。拉伸试样按ISO 6892-1:2016加工，室温下以1 mm min?1位移速率测试，每组三个样品。
研究结果按以下方面展开。在“沉积形貌与CT可检测缺陷”方面，无保护样品呈现紫蓝色氧化表面，局部保护和封闭保护则保持光亮金属表面；CT重建显示局部保护使孔隙率从0.065%降至0.040%，氧化物相关缺陷分数从0.02300%降至0.00047%，表明局部保护有效降低了层间氧化污染。在“轨道几何与微观组织”方面，电压–电流历史显示CMT-Advance插入了负极性间隔，轨道宽度、余高和熔深随EP/EN比非单调变化；SEM显示底部区域在CMT-Advance下呈现更致密的胞晶网络，但中部分数最高，底部最低。在“晶粒尺寸和晶体学织构”方面，EBSD表明四种条件均为等轴α-Mg晶粒，EP/EN=0时粒径分布最窄，算术平均晶粒尺寸10.94 μm，而CMT为14.88 μm；高角晶界比例约为75%，{0001}织构极值均小于2.1，说明极性调制未显著改变晶界特征和织构强度。在“热场与凝固条件”方面，热电偶峰值温度误差小于1.1%，CMT的热影响区明显大于CMT-Advance；从顶到底，G增大，R减小，因此G/R在底部显著增大，说明基体附近更有利于胞晶细化。在“凝固路径与相证据”方面，Thermo-Calc预测α-Mg在596.8 °C开始大量形成，低温产物包括Mg??Y?型和Mg?Gd型；XRD仅确认α-Mg和弱Mg??(Gd,Y)?反射，EDS显示Gd/Y在晶界富集、Zr在离散颗粒中富集，但不能证明全部亮网络为单一相。在“拉伸响应与断口形貌”方面，屏蔽CMT-Advance获得屈服强度154.8±2.8 MPa、抗拉强度250.6±0.9 MPa、延伸率10.0±0.2%，断口韧窝更均匀，大空腔减少。
讨论部分指出，局部保护降低了电弧、熔池和热尾迹的氧暴露，但点测量不能描述瞬时三维氧传输。极性调制不仅改变线能量，还同时改变电极热分配、熔滴过渡、表面剪切和熔池流动，因此非单调几何表明过程为耦合响应。热模型标定用于相对比较而非独立验证。垂直方向G/R梯度解释了基体附近胞晶网络更致密，而晶粒尺寸变化较小
