南京理工 l 基于冷弧工艺的电弧增材制造技术（CA-WAAM）成功制造具有细小等轴晶粒的AZ91镁合金薄壁构件

| 3DScienceValley · 2025/05/09

谷专栏

3D科学谷洞察

冷弧工艺能够有效降低熔滴过渡过程中的能量峰值，减少飞溅现象，提高成形质量。同时，通过精确控制热循环，可以实现镁合金的细晶组织，能够有效控制镁合金的晶粒尺寸和相分布，从而提高材料的强度和塑性。该技术在航空航天、汽车和医疗器械等领域具有广阔的应用前景。例如，在航空航天领域，冷弧工艺可用于制造轻量化且高性能的镁合金结构件，有助于提高燃油效率和降低运营成本。”

引用格式

Bai-hao CAI, Ji-kang FAN, Jie LI, Dong-qing YANG, Yong PENG, Ke-hong WANG. Processing, microstructure, and mechanical properties of wire arc additive manufactured AZ91 magnesium alloy using cold arc process [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2025, 35 (01): 91-104.

研究背景

镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料，具有比强度高、密度小、电磁屏蔽性能优越等优点。它在航空航天、汽车和医疗器械等领域有着巨大的应用潜力。然而，高性能镁合金复杂结构件的成形制造仍然是当前研究的重难点。本文采用基于冷弧工艺的电弧增材制造技术（CA-WAAM）成功制造了具有细小等轴晶粒的AZ91镁合金薄壁构件，研究了增材过程中的液滴过渡行为、沉积件的显微组织和力学性能，对大型镁合金复杂零部件的电弧增材具有重要的参考价值。

文章亮点

采用冷弧工艺制备了强塑性协同提升的AZ91镁合金薄壁构件，阐明了冷弧模式对AZ91镁合金熔滴过渡行为的影响规律，揭示了冷弧增材过程中复杂热循环对显微组织及力学性能的影响机制。

图文解析

AZ91薄壁试样的制备通过冷弧增材制造（CA-WAAM）系统完成，系统配置如图1所示。采用单向行进策略，焊丝随焊枪移动逐层熔覆于已沉积层表面。为获得良好成形质量，焊接过程中采用摆动电弧策略，摆动长度和摆动宽度分别设定为10 mm和5 mm。冷弧模式下通过精确调控电流电压实现稳定熔滴过渡：在短路后引弧瞬间急剧降低电流以确保液桥平滑断裂；随后小幅提升电流促进焊丝快速熔化形成熔滴；继而缓慢降低并维持低电流水平以控制熔滴尺寸，此时电弧处于稳定燃烧阶段直至熔滴与熔池接触；当熔滴接触熔池时电流急剧增大以产生收缩效应；引弧完成后通过动态控制方式逐步降低峰值电流。熔滴的平稳过渡是保证构件良好成形质量与性能的关键因素。本研究采用Phantom® VEO VWO410L型高速摄像机（帧率4000 fps）对熔滴过渡行为进行观测记录，同时配置640 nm波长滤光片及背景激光系统以增强图像对比度。

图1 AZ91 镁合金薄壁成分的 CA-WAAM 工艺示意图

图2展示了冷弧（CA）模式单周期内的熔滴过渡过程。典型的冷弧增材制造（CA-WAAM）的熔滴过渡周期平均为31 ms，包含燃弧、短路过渡及电弧重燃三个阶段。在t0时刻，随着电流急剧降低，电弧在焊丝与熔池间平稳重燃。随后，电弧持续燃烧并熔化焊丝，在焊丝端部形成熔滴。得益于较低的热输入，熔滴呈现相对规则的球形形貌。电弧重燃后，在脉冲电流峰值阶段产生的强电弧力作用下，熔池发生剧烈波动导致失稳，熔池表面产生部分飞溅的现象。燃弧阶段的电流维持在较低水平，熔滴沿焊丝轴向持续生长。随着焊丝送进，熔滴与熔池间距逐渐缩短，同时在重力、电磁力及表面张力协同作用下，熔滴沿轴向被拉伸。这一动力学过程不仅促进了熔滴与熔池接触以进入短路过渡阶段，同时有效缩短了燃弧时间并减小了熔滴尺寸。由于镁合金高蒸发压与低密度的特性，在电弧高温作用下，熔滴及熔池表面产生大量金属蒸汽。蒸发反冲力推动熔滴偏离焊丝轴线，形成典型的排斥过渡模式。该现象在镁合金纯MIG增材制造过程中极为普遍，严重劣化成形件质量。

图2 冷弧模式下AZ91镁合金熔滴过渡行为

图3展示了基于热力学软件JMatPro计算的AZ91镁合金（Mg-9.5Al-0.5Zn-0.3Mn）平衡相图与Scheil-Gulliver凝固路径，系统阐释了其形成机制。当熔池温度降至627°C时，液相中首先析出Al8Mn5相；随后在600°C析出初生α-Mg相。随着温度降低，Al8Mn5相于540°C转变为Al11Mn4相，后者在407°C进一步转化为Al4Mn相。在缓慢冷却条件下，Al元素在α-Mg固溶体中扩散迁移，最终于372°C从过饱和α-Mg相中析出Mg17Al12相。然而，镁合金CA-WAAM过程中液态金属冷却属于典型非平衡凝固过程。由于沉积件中Mn元素含量仅为0.3%（质量分数），且非平衡态下高冷却速率导致Al8Mn5相未能充分从液相析出，致使该相含量极低。因此，CA-WAAM技术制备的AZ91镁合金构件非平衡显微组织由α-Mg相、Mg17Al12相及可忽略的Al-Mn析出相组成。

图3 (a) AZ91镁合金的平衡相图，(b)基于Scheil-Gulliver模型计算的凝固路径

图4展示了冷弧增材制造（CA-WAAM）工艺制备的AZ91镁合金薄壁纵截面（XOZ平面）不同区域的显微组织特征。试样各区域均由等轴晶粒构成，由于逐层制造过程中的多重热循环作用，显微组织呈现粗晶区与细晶区交替分布的层状结构特征。在后续层沉积过程中，前沉积层顶部组织受热源作用发生重熔，熔池边界在凝固阶段直接与前沉积层或基板接触，此时较大的过冷度与接触面异质形核效应显著提高了细等轴晶形成倾向。然而，靠近熔合线的前沉积层组织被二次加热至高温，合金元素在基体中扩散迁移，导致晶粒粗化现象。如图4(a-c)所示，试样中部区域粗、细晶区平均晶粒尺寸分别为40.8 μm和22.1 μm，均大于试样底部与上部区域。主要原因在于：靠近基板的底部区域具备更优散热条件，而上部区域经历热循环次数较少。通过Nano Measurer软件计算中间区熔合线附近晶粒尺寸，最大与最小晶粒尺寸分别为48.7 μm和6.95 μm。事实上，细晶组织不仅能缩短位错滑移距离使变形更加弥散均匀，还可激活镁合金非基面滑移系并诱发晶界滑移，从而显著提升镁合金塑性变形能力。

图4. CA-WAAM工艺制备的AZ91镁合金薄壁纵截面（XOZ平面）不同区域的显微组织特征

图5为AZ91镁合金沉积薄壁不同区域的扫描电镜（SEM）图像及能谱（EDS）分析结果。显微组织主要由初生α-Mg基体、过饱和共晶α-Mg固溶体、β-Mg17Al12相及少量η-Al8Mn5相组成。EDS分析表明，深灰色α-Mg基体中Mg/Al原子比为94.1/5.9，而共晶相中该比值约为60.7/39.3，显示共晶相Al元素富集特征。在凝固过程中，溶质Al在液相向初生α-Mg转变时未充分扩散，富集于未凝固液相中。后续共晶反应中，初生α-Mg被析出的β相包裹，最终形成沿晶界分布的网络状共晶组织。相较于上部区域，底部与中部区域β-Mg17Al12相形貌较为粗大，且沿晶界析出更多亚微米级β相。这是由于逐层沉积过程中多重热循环作用下，β相优先沿晶界析出并生长所致。此外，细小的η-Al8Mn5相弥散分布于α-Mg基体中。

图5. AZ91镁合金沉积薄壁的扫描电镜图像及能谱分析结果

图6展示了AZ91镁合金薄壁试样不同取向的拉伸性能各向异性研究结果。沿行进方向试样的拉伸性能略低于堆积方向试样：堆积方向试样的极限抗拉强度（UTS）与延伸率（EL）分别为282.7 MPa和14.2%，均高于行进方向试样的271.6 MPa与11.3%；然而其屈服强度（YS）134.7 MPa却低于行进方向的140 MPa。研究表明，堆积方向试样屈服强度较低主要源于两方面机制：其一，沉积层中存在大量施密德因子（Schmid factor）超过0.4的软取向晶粒，更易发生滑移变形；其二，层状结构中存在更多相邻晶粒取向差小于10°的小角度晶界，这些晶界对变形过程中的位错运动阻碍作用较弱。行进方向试样UTS与EL的降低则可归因于垂直于行进方向的晶间共晶区域微裂纹，以及水平方向层间熔合线在电弧振荡作用下对塑性的劣化效应。实际上，CA-WAAM构件的力学性能（UTS，EL）均优于压铸AZ91镁合金（230 MPa/160 MPa/3%，ASTM B94-07标准），这应归因于更细化的晶粒尺寸及沿晶界分布的细小β-Mg17Al12相。显微硬度测试结果表明，底部区域平均硬度值为68.1 HV，略低于中部区域的。由于显微组织呈现层状分布特征，中部区域硬度存在波动现象，其平均值为72.2 HV。顶部区域的平均硬度值为68.6 HV。显微硬度均匀性特征表明，相较于析出相分布，晶粒尺寸是影响硬度的主导因素。

图6. AZ91镁合金沉积薄壁的力学性能：（a）拉伸试验结果；（b）显微硬度。

图7展示了AZ91镁合金构件不同位置拉伸试样的断口形貌特征。所有拉伸试样均呈现典型的韧-脆混合断裂模式，其特征表现为大量韧窝、韧性撕裂棱及不连续准解理面的共存形貌。在拉伸应力作用下，脆性β-Mg17Al12相与微孔洞引发应力集中，导致断口表面存在明显的小尺寸二次裂纹。断口表面分布有细小的第二相颗粒。基体α-Mg中弥散析出的细小β相不仅能阻碍裂纹扩展，还可对位错运动产生钉扎效应，诱发穿晶断裂；而沿晶界析出的第二相在拉应力作用下易引发沿晶断裂，从而降低材料塑性。此外，堆积方向试样断口呈现更多韧性撕裂棱且河流花样较少，而横向试样断口表面存在更多微裂纹。

图7 不同位置拉伸试样的断口形貌特征

研究结论

（1）镁合金冷弧增材制造（CA-WAAM）工艺通过降低短路过渡能量峰值，有效避免了液桥断裂瞬间的飞溅现象，同时将熔滴过渡周期缩短至平均31 ms。在熔滴蒸发反冲力作用下，熔滴偏离焊丝轴向运动，导致电弧稳定性有所下降。

（2）通过CA-WAAM工艺制备的AZ91镁合金构件的显微组织主要由等轴晶粒组成，由于多重热循环作用，显微组织呈现粗晶区与细晶区交替分布的层状组织特征。构件中部细晶区与粗晶区平均晶粒尺寸分别为22.1μm和40.8μm。AZ91试样的析出相主要为β-Mg17Al12相及少量η-Al8Mn5相，其中上部区域β相尺寸相对较小。

（3）沉积件各区域硬度分布均匀，平均硬度值为69.6 HV。CA-WAAM沉积构件在沉积方向与行进方向呈现拉伸性能各向同性，行进方向试样的平均抗拉强度、屈服强度及延伸率分别为272.9 MPa、136.8 MPa和12.2%。拉伸断口表现为具有韧窝特征的韧-脆混合断裂形貌。

团队介绍

王克鸿，南京理工大学二级教授、博导，学科带头人，智能增材与先进焊接团队负责人，江苏省333工程第一层次首席科学家、某重大项目专家组首席科学家，国家技术发明奖二等奖第一发明人，受控电弧智能增材工信部重点实验室主任，国家国防科工局科技委制造领域委员。主持国家级和省部级科研项目100余项，团队与美国、英国、德国、俄罗斯等院校建立了长期的合作关系，团队年人均科研经费400万元。60余项技术已经应用于国家高新工程、高端装备、新材料新能源等行业，使企业新增产值百亿元，发表SCI、EI收录论文约200篇，拥有发明专利160余件，获国家技术发明奖、国防技术发明奖、国防科技进步奖、军事科学技术奖、江苏省科技进步奖、兵器科技奖等25项。