AZ91镁合金TIG电弧增材微观组织与力学性能学习体会

文献概况与研究背景

倪程等研究者基于TIG（钨极氩弧焊）电弧增材制造工艺，对AZ91镁合金进行单道多层薄壁样件的增材成形试验，并系统分析了增材样件的微观组织与力学性能。该研究发表于《中国有色金属学报》2022年第32卷第3期，由南京理工大学受控电弧智能增材技术工业和信息化部重点实验室与昆山华恒焊接股份有限公司联合完成，受国家自然科学基金与江苏省自然科学基金资助。

在航空航天领域，轻量化结构件的需求日益迫切。AZ91镁合金密度仅为1.81 g/cm³，比铝合金轻33%，比钛合金轻45%，是理想的轻量化结构材料。然而，传统压铸工艺制备的AZ91镁合金存在气孔、缩松等铸造缺陷，力学性能受限。电弧增材制造技术通过逐层熔敷的方式构建零件，理论上可以规避传统铸造缺陷，实现近净成形。这一研究对于推动镁合金在航空航天壳体和轻量化结构件领域的应用具有重要的工程参考价值。

微观组织分析

增材样件的微观组织呈现出与压铸件显著不同的特征。研究结果表明，样件底部、中部和顶部区域的显微组织基本上都是等轴状细晶组织，晶内和晶界处有第二相β-Mg₁₇Al₁₂析出。这一发现具有重要的工艺指导意义。

从冶金学角度分析，电弧增材过程中每一层熔敷层都经历了快速熔化和快速凝固的过程。电弧热源的高能量密度使得熔池在冷却过程中获得较大的过冷度，从而形成等轴细晶组织。这种细晶组织与压铸工艺中常见的柱状晶组织有本质区别，细晶组织通过Hall-Petch效应显著提高了材料的强度和塑性。β-Mg₁₇Al₁₂相作为AZ91中的主要强化相，其析出位置对力学性能有重要影响。当β相均匀析出于晶内时，对塑性的损害较小；而当β相沿晶界连续析出时，则会导致晶间脆性增加。增材工艺中β相同时出现在晶内和晶界，说明凝固过程中既发生了晶内形核，也存在晶界优先析出的倾向。

值得注意的是，样件三个区域的组织特征高度一致，这表明TIG增材工艺的热输入在层间传递过程中具有较好的稳定性。在实际生产中，如果增材过程中热积累导致上层组织粗化，将直接影响零件的力学性能一致性。该研究结果说明，在适当的工艺参数下，TIG增材可以保持组织均匀性。

力学性能评价

增材样件的力学性能相比传统压铸方法有了显著提升，这是本研究最核心的工程价值所在。

抗拉强度提升20%是可观的改善，但伸长率提升87%更是令人振奋。这一数据的工程意义在于：增材样件不仅强度提高，而且塑性大幅提升，意味着材料在过载条件下具有更好的安全裕度和抗脆断能力。对于航空航天应用而言，塑性的改善往往比强度的小幅提升更为关键，因为航空结构件需要在承受复杂载荷的同时保持足够的变形能力。

硬度平均值62 HV且各区域接近，说明增材样件的硬度分布均匀，不存在明显的硬度梯度。这进一步印证了组织均匀性的结论。在实际工程应用中，硬度均匀性对于避免应力集中和局部过早失效具有重要意义。

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度来看，传统压铸AZ91镁合金的主要失效模式包括：气孔导致的应力集中、缩松引起的局部弱化、柱状晶导致的各向异性、以及晶界β相连续析出导致的晶间开裂。TIG增材工艺通过细晶组织和均匀的β相分布，有效降低了这些失效模式的发生概率。

工艺参数与成形质量思考

该研究制备的是单道多层薄壁样件，这一成形方式虽然简单，但为后续复杂结构件的增材制造奠定了基础。在实际工程应用中，需要考虑以下关键工艺要素：

1. 热积累控制：多层增材过程中，下层已凝固的熔敷层成为上层的热沉，导致上层熔池热分布发生变化。需要合理控制层间温度，避免过热导致晶粒粗化。
2. 熔池稳定性：TIG电弧的熔池形态受电流、焊接速度、保护气体流量等参数影响。对于镁合金而言，熔池表面氧化问题尤为突出，需要高效的氩气保护。
3. 残余应力管理：逐层熔敷过程中，每一层都经历热胀冷缩，累积残余应力可能导致零件变形或开裂。对于镁合金这类低模量材料，变形控制尤为关键。

工程应用前景与反思

从工程实践角度思考，TIG电弧增材制造AZ91镁合金的技术路线具有明确的产业化前景。相比激光增材，TIG增材设备成本低、工艺简单、对设备精度要求相对较低，适合中厚壁结构的制造。南京理工大学与昆山华恒焊接股份有限公司的产学研合作模式，为技术从实验室走向工程应用提供了良好的平台。

然而，该研究也存在一些需要进一步探讨的问题。首先是成形效率问题，单道多层薄壁样件的成形效率相对较低，对于大型结构件需要开发多道宽幅增材技术。其次是表面质量与尺寸精度问题，电弧增材的表面粗糙度和尺寸精度通常不如减材加工，可能需要后续机加工。第三是增材件的疲劳性能尚未涉及，对于航空应用而言，疲劳性能是选材的关键指标之一。

总体而言，该研究证明了TIG电弧增材制造AZ91镁合金在微观组织细化和力学性能提升方面的显著优势，为镁合金增材制造技术的工程化应用提供了重要的数据支撑和工艺基础。未来研究应重点关注成形效率、疲劳性能、以及复杂结构件的增材工艺优化。