來源:材料學網(wǎng)
導讀:鎂合金在輕量化和先進設(shè)備的背景下仍然至關(guān)重要。鎂(Mg)的利用率逐年增加,表明對其鎂基合金的需求不斷增長。增材制造(AM)提供了直接制造網(wǎng)形組件的可能性,為使用鎂合金提供了新的可能性和應用,并為利用“3D打印”帶來的新型物理結(jié)構(gòu)提供了新的前景。在此,澳大利亞國立大學、新加坡制造技術(shù)研究所、中國湖南大學、美國麻省理工學院等六所國內(nèi)外頂級研究機構(gòu)在本文綜述全面探索迄今為止鎂合金的增材制造,包括所用工藝和測量性能(與常規(guī)制備的鎂合金進行比較)。AM鎂合金的挑戰(zhàn)和可能性在機械冶金領(lǐng)域得到了批判性的闡述。
鎂(Mg)具有最低的密度(1.74克/厘米)3),其密度約為鋁合金的65%,鈦的密度的38%,鋼的密度的25%。鎂合金的高比強度使其成為汽車、消費電子和航空航天應用中輕量化的有吸引力的材料。鎂合金也是可生物降解的,并且具有類似于人體骨骼的彈性模量(~45 GPa)。鎂離子(毫克)2+)是人體內(nèi)許多生化反應所必需的,它們增強新陳代謝并介導成骨細胞增殖。因此,鎂合金也被考慮用于醫(yī)療領(lǐng)域,例如骨科,頜面應用和心臟病學。迄今為止,>95%的鎂合金產(chǎn)品是通過鑄造(包括壓力壓鑄)生產(chǎn)的,而鍛造鎂合金的應用有限,主要是由于在室溫下成型性和加工性不足。
鎂合金的增材制造(AM)在材料界越來越受到關(guān)注,因為AM使傳統(tǒng)制造無法實現(xiàn)的設(shè)計能力,并且可能還有迄今為止未知的材料性能。增材制造具有幾個獨特的優(yōu)勢,例如設(shè)計自由度(和拓撲優(yōu)化)、最小的資源浪費和更少的能源使用。此外,AM克服了傳統(tǒng)(形成性或減法)制造路線的局限性。高精度生產(chǎn)復雜內(nèi)部和外部幾何形狀的能力使開發(fā)精確的幾何特征成為可能(參見圖1中的復雜晶格幾何形狀)。設(shè)計自由度使人們能夠通過拓撲優(yōu)化和使用自由空間作為設(shè)計變量,使最輕的工程金屬更輕。此外,如果用作生物材料,具有大表面積的組分將促進細胞生長,增殖和骨再生;或者如果用作Mg電極,則提供顯著的反應區(qū)域。AM-Mg技術(shù)有望滿足骨科和血管外科對高性能可生物降解植入物的高需求,并使制造患者專用和拓撲優(yōu)化的植入物在技術(shù)上可行。此外,對工藝參數(shù)的精確控制可以生產(chǎn)出具有定制微觀結(jié)構(gòu)和性能的合金。最近的研究已經(jīng)證明了這一點,這些研究報告使用各種AM技術(shù)成功生產(chǎn)了具有增強性能的新型Al,F(xiàn)e和Ti基合金。
然而,迄今為止,AM-Mg合金領(lǐng)域的研究一直受到限制。這可能部分是由于鎂(在大氣條件下)的反應性質(zhì),除了有關(guān)鎂粉的氧化,蒸發(fā)和處理的其他問題外,還引起了健康和安全問題。然而,正如自2010年以來的研究成果(圖2)所指出的那樣,LPBF過程中的風險控制已經(jīng)顯示出巨大的成功,允許基于Mg粉末的添加劑方法被常規(guī)和可重復地用于安全地制造不同成分的Mg合金。防護措施包括(1)在防火安全儲罐中處理/儲存鎂合金粉末并適量;(2)管理可能需要采取控制措施的情況的人員培訓;(3)準備和清潔LPBF機器的過濾器和處理室,包括去除靜電放電等所有潛在的點火原因;(4)在增材制造之前和期間控制反應氣體。除了安全問題外,另一個限制LPBF-Mg合金發(fā)展的問題是Mg粉末的質(zhì)量一致性。Mg粉末的性質(zhì)不斷變化,因此您不會找到固定的LPBF參數(shù)。
除了基于激光粉末的增材制造外,還探索了各種增材制造方法,包括燒結(jié),線弧增材制造(WAAM),攪拌摩擦加工和噴墨方法。盡管這些不同的方法是否可以被視為“增材制造”在社區(qū)中仍在爭論中,但我們?nèi)匀唤邮芩鼈冊谝话阋饬x上遵循“增材制造”策略,因此將它們納入本綜述。鑒于增材制造技術(shù)已經(jīng)得到了Debroy等人的好評。澳大利亞國立大學、新加坡制造技術(shù)研究所、中國湖南大學、美國麻省理工學院等在本綜述中將僅關(guān)注增材制造Mg(而不是一般的AM技術(shù)),該技術(shù)呈現(xiàn)了與其他AM合金系統(tǒng)(如Al,Ti和鋼)的許多獨特特性。迄今為止,盡管已經(jīng)發(fā)表了幾篇關(guān)于鎂增材制造的綜合綜述,但AM-Mg中的成分 -加工-微觀結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系尚未得到系統(tǒng)的探索(或建立)。造成這種情況的一個主要原因是AM-Mg合金的微觀結(jié)構(gòu) - 性能關(guān)系的結(jié)果在不同的報告中揭示了一些差異。本綜述的目的是總結(jié)AM-Mg的最新進展,系統(tǒng)地研究和批判性地分析迄今為止報告的結(jié)果;并允許揭示控制AM-Mg微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)鍵因素?偠灾瑢⒂懻揂M-Mg面臨的一些挑戰(zhàn),并提供未來的展望。本研究以題“Recent progress and perspectives in additive manufacturing of magnesium alloys”發(fā)表在Journaal of Magnesium and Alloys 上。
鏈接:https://www.sciencedirect.com/sc ... 00688#fig0011Recent
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2022-6-12 21:17 上傳
在介紹的方法中,最終應用將與生產(chǎn)路線的選擇相關(guān)。例如,根據(jù)本文審查的作品,似乎大多數(shù)方法(LPBF除外)都不適合生物醫(yī)學應用。相反,LPBF在可能生產(chǎn)的組件的尺寸上受到限制。然而,顯而易見的是,增材制造 Mg合金的前景是巨大的,并且實現(xiàn)本文引言中提出的機會的潛力都是可能的(凈形狀,多樣化的合金成分,復雜的設(shè)計,定制等)。然而,這篇綜述也非常清楚地表明,仍然存在許多開放的研究問題,并且到目前為止還沒有(單一或社區(qū))嘗試回答這些問題。這種懸而未決的問題的一個例子是增材制造 Mg合金的延展性是否受到位錯密度或殘余應力的不利影響?在AM鎂合金中是否對位錯密度進行了適當?shù)难芯?- 以及如何與其他六方密排合金(如鈦合金)相比性能?在總是發(fā)生一些蒸發(fā)的情況下,LPBF中AM Mg合金的凝固會是什么樣子?等。
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圖 1.激光粉末 - 床融合制備了“Mg”形狀的晶格結(jié)構(gòu),由Mg合金WE43生產(chǎn)(圖片由Meotec GmbH和Dr.M. Esmaily提供)。
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圖 2.時間軸顯示了基于粉末的AM-Mg研究和開發(fā)的歷史背景,表明了自首次利用AM燒結(jié)Mg粉末的科學研究以來的“里程碑”。
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圖 3.在減容系統(tǒng)中以圓柱形和立方形的鎂合金的LPBF
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圖 4.鎂的蒸發(fā)速率(J毫克)和各種溫度下AZ91D熔池中的合金元素比(J鋁, J鋅和 J錳—分別燃燒Al、Zn和Mn)(a) J毫克(b) J毫克/J鋁(c) J毫克/J鋅(d) J毫克/J錳.(e) 不同樣品的Mg/Al重量比(η)以及η與激光能量密度的擬合關(guān)系(EV).轉(zhuǎn)載自。
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圖 5.(a) 加工窗口和相關(guān)缺陷的示意圖,(b) 迄今為止報告的 LPBF-Mg 合金能量輸入密度函數(shù)的相對密度和(c)相對密度高(≥99%)的樣本。
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圖 6.LPBF中純Mg的處理窗口。
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圖 7.LPBF-AZ91合金的EBSD方向圖和SEM圖像
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圖 8.EBSD取向圖顯示(a)塊狀LPBF-WE43樣品中的細粒,等軸和隨機取向的晶粒,(b)最后一個熔池中的細粒,等軸和隨機取向的晶粒及其周圍的大,不規(guī)則形狀和基礎(chǔ)取向晶粒,以及(c)大,不規(guī)則形狀和基礎(chǔ)取向的晶粒(d 和 e)在兩種不同放大倍率下從同一材料獲得的EDXS圖,以及(f)XRD光譜,顯示LPBF-WE43中存在各種相,包括金屬間和富氧物質(zhì)。
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圖 9.(a) 激光增材制造的鎂合金對鑄造合金和鍛造(軋制和擠壓)合金的拉伸性能。拉伸斷裂面為(b)Mg-9Al 和(c)WE43 。
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圖 10.通過毛細管介導的橋接對Mg-Zn-Zr粉末進行粘合劑噴射,(a)層厚為100μm且溶液飽和度為70的綠色部件的宏觀照片,(b)綠色部件中的固體顆粒間橋,使Mg粉末顆粒的快速3D組裝成為可能,(c)對Mg-Zn-Zr粉末,綠色部件和燒結(jié)部件的化學分析顯示燒結(jié)樣品中原料的化學成分零和變化。
總結(jié):上述回顧和討論總結(jié)了與鎂合金生產(chǎn)中AM的主要方法相關(guān)的關(guān)鍵方面。顯而易見的是,現(xiàn)在已經(jīng)有來自完全獨立的研究小組的廣泛嘗試,從而成功制備了AM Mg合金。在所使用的方法中,激光粉末床熔融(LPBF),線弧增材制造(WAAM)和摩擦攪拌增材制造(FSAM)所有這些都證明了它們能夠通過AM生產(chǎn)鎂合金。就小型摘要而言:LPBF展示了高尺寸公差的前景,一系列合金,令人滿意的強度,盡管延展性有限;WAAM表現(xiàn)出中等強度,但具有可觀的延展性;FSAM也表現(xiàn)出中等強度,也具有可觀的延展性。
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