我院科研团队长篇综述刊发镁合金TOP期刊《JMA》：聚焦电弧增材制造镁合金前沿领域

近年来，电弧熔丝增材制造技术（Wire-arc Additive Manufacturing, WAAM）为大型复杂镁合金构件的近净成形提供了新的解决方案。与激光粉末床熔融等增材制造技术相比，WAAM采用金属丝材作为原料，可避免高活性镁粉带来的安全风险和高制粉成本；与传统大尺寸坯料机加工相比，WAAM有助于提高材料利用率，降低制造成本，尤其适合大型、复杂、轻量化金属构件的快速制造。

近日，我院韩恩厚院士团队联合华南理工大学、上海理工大学、扬州大学等单位撰写长篇综述，系统总结了近十年来电弧增材制造镁合金的研究进展，重点梳理了工艺参数、微观组织、力学性能、腐蚀行为及强化策略之间的内在联系，并对未来工程应用中的关键瓶颈与发展方向进行了展望。相关研究成果以“A Review of Wire-arc Additive Manufacturing Magnesium Alloys: Parameters, Microstructure, Properties and Strengthening Strategies”为题发表在镁合金领域TOP期刊《Journal of Magnesium and Alloys》（JCR Q1，IF=15.8）上。该论文通讯作者为我院闫昌建副研究员、韩恩厚院士，第一作者为华南理工大学联合培养博士生李家民。

综述首先指出，WAAM镁合金的核心科学问题并不只是“能否打印成形”，而是如何在层层堆积的热循环过程中，同时实现宏观形状控制、微观组织调控和综合性能优化。与传统铸造或变形加工不同，WAAM过程中电弧热源作用范围较大，热输入和热积累明显，已沉积层会反复经历加热和冷却过程。这种复杂热历史会导致晶粒粗化、柱状晶择优生长、组织不均匀、残余应力积累以及力学性能各向异性等问题。因此，建立工艺参数、熔池行为、组织演变与最终性能之间的对应关系，是推动WAAM镁合金从实验室研究走向工程应用的关键基础。

图1. WAAM镁合金领域研究趋势及国家/地区分布

图2. WAAM镁合金研究关键词网络图

在工艺体系方面，文章系统比较了GTAW-WAAM、GMAW-WAAM、CMT-WAAM和PAW-WAAM等主流电弧增材制造技术。GTAW-WAAM具有电弧稳定、飞溅少和成形质量较好的特点，但沉积效率相对较低；GMAW-WAAM沉积效率高、系统结构简单，适合大尺寸构件制造，但对镁合金而言更容易引发飞溅和氧化问题；CMT-WAAM通过送丝与电弧过程的数字化协同控制，可实现低热输入、低飞溅和高稳定性，尤其适合易氧化、热敏感的镁合金体系；PAW-WAAM则利用压缩等离子弧提高能量密度和电弧稳定性，在成形精度和组织控制方面具有潜在优势。综述认为，针对镁合金低熔点、高化学活性和易氧化等特点，低热输入、高稳定性和可控熔滴过渡将是未来工艺选择和优化的重要方向。

图3. WAAM镁合金“工艺—组织—性能—服役表现”关系示意图

图4. WAAM工艺流程示意图

图5. 不同WAAM工艺类型示意图：（a）GTAW；（b）PAW；（c）GMAW；（d）CMT

在工艺参数调控方面，文章强调，沉积电流、行走速度、送丝速度、层间停留时间和层间温度共同决定了熔池尺寸、凝固速率、热积累程度以及层间结合质量。电流过低时，单位长度熔化金属不足，易形成不连续焊道；电流过高或行走速度过慢时，热输入增加，熔池流动性增强，可能导致塌陷、飞溅和表面质量下降；行走速度过快则可能造成填充不足或驼峰缺陷。研究表明，合理延长层间停留时间或引入主动冷却策略，可有效降低热积累，细化晶粒，改善组织均匀性，并同步提升强度和塑性。例如，层间停留时间由无停留延长至60 s时，热输入与散热逐渐达到平衡，可形成粗细晶交替分布的双峰组织，从而缓解镁合金“强度—塑性”难以兼顾的问题。

在微观组织演变方面，WAAM快速凝固和多次热循环共同塑造了区别于铸态和变形态的特征组织。文章指出，WAAM过程通常可细化镁合金晶粒，并改变第二相尺寸、形貌和分布状态。例如，在部分稀土镁合金中，传统铸造过程中连续网状或粗大杆状第二相在WAAM快速凝固条件下可转变为更细小、分散的颗粒或短棒状相，有助于减轻局部应力集中并改善塑性。但与此同时，沿沉积高度方向存在的温度梯度和冷却速率差异，也可能导致底部、中部和顶部组织不一致，形成柱状晶、等轴晶、枝晶间距和析出相分布的空间差异。由此可见，WAAM镁合金的组织调控需要从单一晶粒细化进一步走向晶粒形貌、织构、第二相和缺陷的协同控制。

图6. WAAM镁合金力学性能Ashby图

在力学性能方面，综述总结表明，当前WAAM镁合金的综合性能已显著优于相同成分铸态材料，并逐渐接近部分变形加工材料水平。其中，Mg-Al系WAAM镁合金通常表现出较好的塑性，但强度相对有限；Mg-RE系稀土镁合金则具备更高强度潜力，但塑性仍有待进一步提升。WAAM过程中形成的晶粒细化、第二相弥散分布、LPSO相调控、纳米析出相强化以及外场辅助组织优化，均可有效提高材料的屈服强度和抗拉强度。然而，层间热循环和柱状晶择优生长也可能带来力学性能各向异性。文章指出，优化扫描路径、降低等效热输入、调控层间温度以及引入外场辅助，可有效削弱柱状晶连续生长，提升构件不同方向性能的一致性。

图7. WAAM镁合金腐蚀机制示意图

腐蚀性能是镁合金工程应用中不可回避的关键问题。综述指出，WAAM工艺引起的晶粒细化、层状组织、元素偏析和第二相重分布，会显著改变镁合金的腐蚀机制。以AZ系镁合金为例，铸态材料的腐蚀多由β相与α-Mg基体之间的微电偶作用主导，而WAAM成形后的材料由于晶粒细化和晶界密度升高，腐蚀机制可能向沿晶腐蚀或更均匀的局部腐蚀转变。对于稀土镁合金，纳米析出相、晶界相和LPSO结构等会进一步改变局部电化学活性，其腐蚀模型仍需更多多尺度实验证据支撑。文章还指出，低塑性滚压、超声冲击、激光-电弧复合制造等方法可通过引入残余压应力、细化表层组织、降低孔隙和抑制局部腐蚀源，有效改善WAAM镁合金的耐蚀性。

在新型强化策略方面，综述将当前研究归纳为两条主线：一是液态熔池调控，二是固态层间调控。液态熔池调控主要通过改变电弧模式、引入超声振动、电磁搅拌或激光-电弧复合热源，促进熔池流动、气泡逸出和晶粒形核，从而减少气孔、细化组织并改善成形质量。相关研究表明，超声振动可借助空化效应和声流效应促进熔体流动，降低孔隙率，并显著提升强度和延伸率。固态层间调控则包括层间锤击、层间超声滚压、层间搅拌摩擦加工和激光冲击强化等，通过对已沉积层施加可控塑性变形，压实缺陷、破碎粗大晶粒、引入残余压应力和梯度组织，从而提升强度、塑性、耐蚀性和各向同性。文章认为，未来WAAM镁合金的高性能制造将不再依赖单一热源或单一后处理，而是需要发展“成形—控形—控性”一体化的在线复合制造技术。

面向未来，文章提出WAAM镁合金仍面临四方面瓶颈：一是专用高性能镁合金丝材基础薄弱，现有研究多沿用传统AZ系或稀土镁合金成分，尚未充分匹配WAAM快速非平衡凝固和复杂热循环特征；二是成形控制难度较高，镁元素蒸发、气孔、飞溅、热应力变形和裂纹仍会影响构件可靠性；三是传统热处理制度难以直接适用于WAAM非平衡组织，容易造成晶粒粗化、性能不均或变形；四是服役性能评价体系不足，目前研究多集中于室温静态拉伸性能，对疲劳、蠕变、应力腐蚀、高温服役和复杂腐蚀环境下的可靠性认识仍不充分。

基于此，综述进一步提出了未来发展方向：首先，应面向WAAM工艺特点开展专用镁合金成分设计，尤其是发展兼具可制丝性、可打印性和服役性能的高性能稀土镁合金体系；其次，应建立面向工程应用的综合性能评价和标准体系，从静态拉伸扩展到疲劳、腐蚀、蠕变和损伤容限等关键服役指标；再次，应发展智能传感、在线监测、闭环控制和多物理场耦合模拟，实现从经验试错向数据驱动和反向设计转变；最后，应推进外场辅助、层间处理、定制化热处理和复合后处理技术的集成创新，构建面向大型复杂镁合金构件的短流程、高效率、高可靠性制造体系。

总体来看，该综述系统总结了电弧增材制造镁合金从工艺窗口、组织演变到性能调控和强化策略的研究进展，明确了当前技术优势、瓶颈问题和未来突破路径。相关工作为高性能WAAM镁合金构件的材料设计、工艺优化、服役评价和工程应用提供了重要参考，也为镁合金在航空航天、轨道交通和高端装备轻量化领域的进一步应用奠定了理论基础。

图8. WAAM镁合金孔隙抑制与强化策略概述

图9. WAAM与层间超声滚压复合强化过程及组织演变示意图

图10. WAAM镁合金技术未来发展策略

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jma.2026.102158