通过掺入AlN颗粒，实现WA-DED AZ31镁合金的晶粒细化和机械性能提升

《Journal of Alloys and Compounds》：Achieving grain refinement and mechanical enhancement in WA-DED AZ31 Mg alloy via AlN particle incorporation

镁合金增材制造中纳米AlN颗粒细化晶粒机制及力学性能研究，通过异质形核与Zener钉扎协同作用，显著降低晶粒尺寸并减少各向异性。

　　本研究探讨了在WA-DED（Wire Arc-Directed Energy Deposition，线弧定向能量沉积）工艺中添加AlN（氧化铝氮化物）颗粒对AZ31镁合金组件微观结构和力学性能的影响。AZ31镁合金因其密度低、比强度高和热导率优异而成为轻量化结构材料的重要候选之一。然而，传统的WA-DED工艺在制造AZ31镁合金时常常面临粗大枝晶结构的问题，这不仅限制了材料的性能，也影响了其在实际工程中的应用潜力。通过添加AlN颗粒，研究团队成功克服了这一长期存在的技术难题，实现了从粗大枝晶到细化等轴晶的微观结构转变，并显著提升了材料的力学性能。

研究采用系统性的方法，通过多种综合表征技术对不同AlN颗粒含量（80、160和240 mg/cm3）下的AZ31镁合金组件的微观结构演变和力学性能进行了深入分析。实验结果表明，AlN颗粒在微观结构转变中发挥了关键作用，其机制主要包括两个方面：首先，AlN颗粒作为异质形核位点，为α-Mg提供了高效的形核场所，从而大幅提高了形核密度；其次，AlN颗粒在晶界处的分布能够有效抑制晶粒粗化，这一现象被称为Zener钉扎效应。在AlN含量为240 mg/cm3的情况下，研究团队观察到平均晶粒尺寸显著减小，从99.4 μm降低至60.7 μm，同时材料的拉伸强度和延展性也得到明显提升。拉伸强度达到203 MPa，延展性为13.5%。此外，这种改进还使材料的力学响应表现出近似各向同性的特性，这是WA-DED工艺在结构应用中的一项重要突破。

在镁合金的应用中，尤其是汽车、航空航天和便携式电子等行业，轻量化和高强度是关键需求。然而，镁合金的六方密堆积（HCP）晶体结构在常温下具有受限的滑移系统，这导致其成形性较差，且表现出显著的机械各向异性。这种各向异性主要源于沉积过程中形成的柱状晶结构以及由剧烈热梯度引起的残余应力。为了改善这一问题，研究团队提出了一种新的策略，即通过添加AlN颗粒来实现更均匀的晶粒分布，从而降低机械性能的各向异性。

与传统的铸造工艺相比，AlN颗粒在WA-DED过程中展现出独特的优势。一方面，AlN颗粒与α-Mg之间的晶格失配较小（约为2.67%），使其能够高效地作为异质形核位点，促进晶粒的细化；另一方面，AlN颗粒具有较高的热稳定性，能够在高温下保持其结构完整性，从而在沉积过程中持续发挥作用。此外，AlN颗粒在晶界处的分布能够有效抑制晶粒的粗化，这一现象在微观结构演变中具有重要意义。研究表明，通过添加AlN颗粒，不仅能够实现晶粒的细化，还能显著提升材料的强度和延展性。

为了进一步验证这一机制，研究团队采用了多种表征手段，包括光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM），并结合系统的力学测试，全面分析了AlN颗粒对WA-DED AZ31镁合金组件的影响。实验结果显示，AlN颗粒在沉积过程中促进了异质形核，同时通过Zener钉扎效应抑制了晶粒的生长，从而形成了更细小且均匀的等轴晶结构。这种结构的形成不仅提高了材料的强度，还增强了其延展性，使其在沉积方向（DD）和构建方向（BD）上的性能差异显著降低。

在WA-DED工艺中，沉积方向（DD）和构建方向（BD）上的性能差异一直是制约材料应用的关键问题。通过添加AlN颗粒，研究团队成功地将这一问题转化为更均衡的性能表现，使得材料在不同方向上的强度和延展性差异大幅缩小。这一发现为镁合金在轻量化结构中的应用提供了新的思路，也为未来优化WA-DED工艺参数提供了理论支持。

在材料制备方面，研究团队采用了一种基于12层薄壁结构的实验设计，使用直径为1.2 mm的AZ31镁合金丝材，并结合不同的AlN颗粒含量进行沉积。通过调整工艺参数，研究团队成功地控制了沉积过程中的热输入和熔池行为，从而实现了更精细的晶粒控制。实验结果表明，AlN颗粒的添加不仅改善了晶粒结构，还提高了材料的整体性能，使其在不同方向上的表现更加均衡。

此外，研究团队还对AlN颗粒在沉积过程中的分布模式进行了深入分析。通过EBSD技术，研究团队发现AlN颗粒在晶界处的分布能够有效抑制晶粒的生长，同时在晶粒内部的分布能够促进更多的异质形核，从而进一步细化晶粒。这种分布模式的发现为理解AlN颗粒在WA-DED过程中的作用机制提供了新的视角，并为未来优化颗粒添加策略提供了理论依据。

综上所述，本研究通过系统性的实验和表征分析，揭示了AlN颗粒在WA-DED AZ31镁合金中的关键作用。不仅实现了晶粒结构的显著细化，还有效提升了材料的力学性能，使其在不同方向上的表现更加均衡。这一成果为镁合金在轻量化结构中的应用提供了新的解决方案，并为未来优化WA-DED工艺参数和材料设计提供了重要的参考价值。