WE43 镁合金是一种经典的高强度耐热稀土镁合金，在室温～300 ℃范围内具有良好的综合力学性能[1–4]。优良的可加工性也是WE43 应用较为广泛的主要原因，WE43 不仅仅可以进行铸造成形[5–6]，还具有良好的热塑性[5]，可以进行锻造、轧制、挤压等高温塑性成形；在增材制造领域，激光选区熔化成形 （SLM）WE43[7–8]也被大量研究，与此同时，WE43 还被报道可以使用电弧增材[9]、焊接[10–11]等进行成形。
潘俊霖[12]和刘武平[13]等研究了Zn 和Cu 对铸造WE43 镁合金力学性能的影响，当Zn 含量为1.2%时，晶粒尺寸和抗拉强度分别为52.8 μm 和191.67 MPa；当Cu 含量为0.7%时，合金的晶粒尺寸和抗拉强度分别为31.46 μm 和200.17 MPa。何维维等[14]研究了铸态WE43 镁合金的热变形行为，认为应变速率0.005 ～ 0.05 s–1、变形温度410 ～ 500 ℃是铸态WE43 镁合金最佳热塑性加工区间。吕刚等[15–16]认为内部的夹杂物是导致挤压态WE43 镁合金塑性较低的主要原因，因此采用CT 扫描和热压缩试验结合的方法对材料中夹杂物形貌和成分进行了研究，结果表明试样中整体夹杂率为0.007%，夹杂物形貌主要为球形。尹浜兆等[17]在不同激光功率和扫描速度情况下，采用SLM 方法制备了WE43 镁合金实体及多孔支架，致密度在较大成形窗口中可以超过99.5%，表明WE43 材料比较适合SLM 成形。陶延夏等[18]分析了WE43 轧制板材的塑性变形行为，认为在低于250 ℃情况下，WE43 镁合金的塑性变形行为是以韧性断裂为主、脆性断裂为次的混合断裂；在高于250 ℃情况下，塑性变形行为为韧性断裂。热处理及后处理方式[19]可以有效调节镁合金的综合力学性能，陈利超等[20]研究了不同热处理工艺对铸态WE43镁合金力学性能的影响，520 ℃×8 h 固溶处理后WE43镁合金的抗拉强度为162 MPa 左右，断后伸长率约为5%。王征远等[21]研究了不同热处理对低压铸造WE43镁合金力学性能的影响，在T6 状态下最大抗拉强度可以达到305.9 MPa，与铸态相比提高了44.8%。
通过对比铸造、挤压、激光选区熔化成形等不同工艺方法对WE43 镁合金微组织和力学性能的影响，可以更加精准地选择最适合特定应用场景的镁合金制造工艺方法。这不仅能优化生产工艺流程，提升整体生产效率，更能显著降低生产成本，实现成本效益的优化。如图1 所示，不同成形方式及热处理条件下，WE43 镁合金的抗拉强度及延伸率表现各异。塑性成形镁合金展现出优越的力学性能；铸造成形镁合金虽力学性能稍逊，但适用于低成本制造复杂非承力零件；增材制造镁合金力学性能则介于二者之间，目前正处于高速发展阶段。鉴于我国丰富的稀土和镁资源，采用多种成形方式大规模应用稀土镁合金材料，既符合节能环保、绿色制造的要求，又展现了巨大的发展潜力。同时，结合不同成形工艺特点的复合制造工艺正快速发展，为镁合金材料更广泛应用和低成本生产开辟了新的途径。
图1 不同成形方式下WE43 镁合金力学性能分布
Fig.1 Mechanical properties distribution of WE43 magnesium alloy under different forming methods
本研究旨在深入分析不同成形方式下WE43 镁合金的显微组织和力学性能，以充分发挥其性能优势，拓展应用领域，并为相关实践提供有力依据。
1 试验条件及设备
试验所用拉伸样件如图2 所示，分别采用激光选区熔化、铸造、挤压WE43 材料加工成形。基于激光选区熔化成形得到WE43 材料基本参数： （1）球形粉末材料粒径分布15 ～ 50 μm； （2）成形设备为铂力特S210，拉伸厚度方向与铺粉高度方向一致，试样长度方向与刮刀移动方向垂直； （3）成形参数为激光功率80 W、激光扫描速度800 mm/s、铺粉厚度0.02 mm、扫描间距0.07 mm；（4）成形后不进行热处理，线切割后直接进行拉伸试验。铸造WE43 材料制造流程： （1）按比例配好原材料，Mg、MgGd30、MgY30、MgNd30、MgZr30，放入电阻炉中预热至200 ℃，去除水分备用； （2）使用不锈钢坩埚，坩埚内涂BN，把预热好的原材料放入坩埚中，加热至680℃，使用CO2 + SF6 作为保护气体； （3）待纯镁完全熔化后，升温至720 ℃，再加入MgGd30、MgY30、MgNd30 中间合金； （4）中间合金完全熔后，扒渣，升温至780 ℃，加入MgZr30，搅拌； （5）10 min 降温至710 ℃，浇铸至模具中，挤压态WE43 材料以直径为100 mm 的棒形式输送，温度400 ℃，挤压比11，最终棒料直径10 mm。
图2 不同成形方式下WE43 镁合金拉伸试样示意图（mm）
Fig.2 Schematic diagram of WE43 magnesium alloy tensile specimens under different forming methods (mm)
拉伸试验由CMT6305–300KN 微机控制电子万能试验机完成，应变速率为1.5 mm/min；硬度检测采用HV–1000A 型自动转塔维氏硬度计，载荷1.96 N，加载时间为10 s；密度检测使用MH–300A 型电子密度测试计；WE43镁合金微观组织采用DM2700M 金相显微镜观察，断口形貌使用VEGA3 TESCAN 电子扫描显微镜进行观察。
2 结果与分析
2.1 硬度测试结果
在SLM、铸态及挤压WE43 镁合金10 mm×10 mm× 10 mm 正方体试样相邻3 个截面上等距取5 个点测试维式硬度，各面硬度平均值如图3 所示。材料成形方法的选择对成形材料的力学性能具有显著影响，SLM 工艺因其独特的层层叠加制造方法，试样有明显各向异性，与基板平行方向硬度值为91.94HV，与基板垂直方向硬度平均值为130.1HV 和132.2HV，由于SLM 成形过程激光扫描方向均不断发生偏转，因此两个方向没有区别。铸造态试样无各向异性，各方向均为75HV 左右，大约为SLM 成形试样块最大硬度的56.73%。挤压试样的晶粒沿着挤压方向被拉长或压扁，为纤维状，故也存在着各向异性。由于挤压比较小，各向异性不显著，垂直挤压方向的硬度为81.34HV，平行于挤压方向的硬度为89.32HV 和89.8HV。
图3 不同成形方式下WE43 镁合金硬度值
Fig.3 Hardness values of WE43 magnesium alloy under different forming methods
2.2 致密度测试结果
根据阿基米德原理得到的SLM 态、铸态以及挤压态WE43 的密度分别为1.731 g/cm3、1.818 g/cm3 和2.021 g/cm3。在对上述WE43 镁合金试样进行表面抛光、不腐蚀的情况下，光学显微镜下照片如图4 所示。高温大塑性变形消除了合金材料中的孔洞及裂纹缺陷，因此挤压态WE43 镁合金密度最高；铸态WE43 密度相对较低，为挤压态的90.0%，试样中可以观察到少量最大直径在8 μm 左右孔洞形缺陷； SLM 态WE43 镁合金密度最低，仅为挤压态的85.7%、铸态的95.2%，试样中存在大量类似圆形孔洞形缺陷，缺陷最大直径20 μm 左右，缺陷产生的主要原因有3 个方面： （1）保护气体持续吹入过程中，气体无法及时从熔池中逸出时，就会形成气孔； （2）当激光能量密度较低或已凝固表面不平整引起的粉末层厚度大于极限厚度，则容易形成未熔合孔；（3）当能量密度过高时，镁快速蒸发产生的强大反冲压力将周围的熔体液体向下推，形成一个又深又窄的洞，称为“匙孔”。根据以上测试分析，通过优化SLM 成形工艺以及优化后处理工艺，SLM 成形WE43 镁合金的致密度还有很大提升空间。
图4 不同成形方式下WE43 镁合金低倍照片
Fig.4 Low magnification photos of WE43 magnesium alloy under different forming methods
2.3 组织及晶粒尺寸
图5 为SLM 态、铸造态和挤压态WE43 镁合金金相组织照片。SLM 过程中小尺寸熔池的快速凝固与较大的温度梯度，使得SLM 态WE43 镁稀土合金平均晶粒尺寸仅为2.6 μm，远小于传统制造工艺得到的镁稀土合金晶粒尺寸。根据Li 等[19]的研究，SLM 极快的非平衡凝固过程不仅会生成典型的Mg41Nd5 和β–Mg14Nd2Y 稀土相沉淀，还会导致基体内存在大量的纳米级β1–Mg3Nd、β'–Mg12NdY 亚稳相。观察铸态WE43镁合金可以发现其组织均为等轴状晶粒，平均晶粒尺寸为40 μm 左右。显微组织由灰色α–Mg 基体和分布在各个晶粒中黑色蠕虫状的β 稀土共晶相组成，同时还可以看出基体中有富Zr 区，呈黑色球状分布。挤压态WE43 镁合金样品中没有明显的元素偏析现象。其基体内相的种类包含5 μm 左右的大颗粒金属间化合物Mg41Nd5 相，以及小一个数量级的方形化合物Mg24Y5相。此外，一些片状相被发现，这是Y 元素在400 ℃的热挤压条件下发生氧化所生成的Y2O3。
图5 不同成形方式下WE43 镁合金高倍照片
Fig.5 High magnification photos of WE43 magnesium alloy under different forming methods
2.4 力学性能试验
3 种不同成形方式得到的WE43 镁合金力学性能测试结果对比，如图6所示。可知，SLM 成形WE43 镁合金的强度最高，抗拉强度达到313 MPa，是铸造态的183%，挤压态的122%。挤压态的WE43 镁合金塑性最好，伸长率达到10.2%，是铸态的232%，SLM 的134%。进一步的后处理可以使SLM 态合金材料综合性能得到显著改善[22]，使其常规力学性能达到或超过挤压及锻造成形材料要求，因此应用空间巨大。
图6 不同成形工艺对WE43 镁合金拉伸性能的影响
Fig.6 Effect of different forming processes on the tensile properties of WE43 magnesium alloy
2.5 断口分析
3 种成形方式WE43 断口均较为平整。从图7 试样断口微观形貌可以看出，SLM 和挤压态试样断口为典型的韧性断裂，断面有大量韧窝状及孔洞，孔洞周围有细小的韧窝，其尺寸及形态较均匀，其中挤压态韧窝尺寸明显大于SLM。铸态断口呈现脆性断口形貌，能看到明显的解理面，晶界上有较浅的韧窝分布。
图7 不同成形方式下WE43 镁合金拉伸后试样断口形貌
Fig.7 Fracture morphology of WE43 magnesium alloy samples after stretching under different forming methods
2.6 应力–应变曲线拟合分析
根据不同成形方式成形WE43 应力–应变曲线特点，设计了3 种以指数函数为基础的曲线拟合，不同拟合模型及参数如表1 所示。 图8 所示为3 种模型的拟合结果，其中第3个模型拟合优度最好，R2值均在0.9947以上，第2 个模型拟合度尽管不如模型3，但是参数较少，便于后期使用。
表1 应力–应变缺陷拟合模型及参数
Table 1 Stress - strain defect fitting model and parameters
公式成形方式abcdfSSER2式（1）：f（x） = a/（1 + exp（b × x））+ c SLM554.9– 88.83– 276——7.9830.9867铸造346.3– 48.46– 157.2——8.1670.9697挤压435.6– 45.89– 195.7——9.9120.973式（2）： f（x） = a ×（1– exp（b × x））+ c SLM295– 61.98– 276——6.7540.9905铸造187– 33.56.093——6.0520.9833挤压236.4– 31.848.821——7.0660.9863式（3）：f（x） =a + b × （1– exp（c × x））+d × （1– exp（f× x））SLM– 19.23288.3– 70.66–1.64425.035.0260.9947铸造– 9.169160.2– 55.94–95.892.8492.0490.9981挤压– 10.29185.3– 59.38–16990.32533.0110.9975
图8 不同成形方式WE43 镁合金应力–应变曲线拟合
Fig.8 Fitting of stress - strain curves of WE43 magnesium alloy with different forming methods
3 结论
（1） 3 种不同成形方式中，SLM 成形WE43 镁合金强度最高，抗拉强度和屈服强度分别达到313 MPa、236 MPa；挤压态的WE43 镁合金塑性最好，伸长率达到10.2%，是铸态的232%、SLM 的134%。SLM 成形WE43镁合金各向异性明显。
（2）在密度检测中，SLM 成形WE43 镁合金密度最低，仅为挤压态的85.7%、铸造态的95.2%。进一步的检测发现SLM 态WE43 镁合金中存在最大直径20 μm左右孔洞形缺陷，铸造态中存在少量8 μm 左右孔洞形缺陷，而挤压态中未观察到孔洞形缺陷。
（3）根据金相和断口观察，SLM 成形WE43 镁稀土合金平均晶粒尺寸仅为2.6 μm，远小于挤压态和铸造态。SLM 过程产生的Mg41Nd5、β – Mg14Nd2Y 稀土相沉淀以及大量的纳米级β1–Mg3Nd、β'–Mg12NdY 亚稳相也是SLM 态力学性能较高的主要原因。
（4）采用统一的指数函数模型对SLM 态、铸造态和挤压态WE43 镁合金应力–应变曲线进行了拟合，拟合R2 值分别为0.9947、0.9981 和0.9975，为后续WE43材料多种成形工艺的复合制造以及数值模拟验证提供了强有力的数据支撑和理论参考。
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