鎂合金增材制造的進(jìn)展與展望

來源：JMACCMg ，作者：JMA_CCMg

近年來，鎂合金的增材制造受到材料界越來越多的重視，增材制造突破了傳統(tǒng)制造的限制，具有高精度、高設(shè)計(jì)自由度、高利用率與節(jié)能等特點(diǎn)。通過對(duì)工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)，可以調(diào)控合金微觀結(jié)構(gòu)和性能，最大化實(shí)現(xiàn)合金材料的形性協(xié)同設(shè)計(jì)能力，凈成形制備出傳統(tǒng)制造無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，擴(kuò)大鎂合金在生物醫(yī)用、汽車、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，要進(jìn)一步發(fā)展鎂合金的增材制造技術(shù)，還需要克服許多困難，如增材制造鎂合金產(chǎn)品延展性相對(duì)較差、產(chǎn)品一致性不足以及原材料鎂粉的安全與成本等問題。

近日，澳洲國立大學(xué)曾卓然研究員、Nick Birbilis教授聯(lián)合湖南大學(xué)徐世偉教授、麻省理工學(xué)院M. Esmaily博士等人綜述了鎂合金增材制造的最新進(jìn)展與現(xiàn)狀，討論了相關(guān)報(bào)道的研究結(jié)果結(jié)果，包括激光粉末床熔融(LPBF)、燒結(jié)、線弧(WAAM)、摩擦攪拌(FSAM)、間接增材制造等方法的工藝特點(diǎn)，以及制備樣品的顯微組織及性能特征等內(nèi)容，并指出了其面臨的問題和挑戰(zhàn)，為今后鎂合金增材制造技術(shù)的發(fā)展方向提出了建議。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jma.2022.03.001….

激光鎂合金增材制造技術(shù)
在鎂合金的增材制造技術(shù)中，研究最廣泛的方法是激光粉末床熔融技術(shù)（LPBF），也稱為激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM），是一種高效的增材制造工藝，用于制造具有高精度和可重復(fù)性的復(fù)雜3D形狀（圖1），產(chǎn)品通常具有令人滿意的冶金性能（圖2）。在用激光粉末床熔融技術(shù)制備鎂合金時(shí)，由于Mg的蒸發(fā)溫度（1091 °C）相對(duì)較低，激光粉末床熔融過程中的溫度通常高于Mg的蒸發(fā)溫度，Mg通常會(huì)優(yōu)先蒸發(fā)，從而引起Mg合金成分的整體變化。

△圖1 激光粉末床熔融技術(shù)制備的“Mg”形狀的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(由鎂合金WE43制成)

作者等人曾經(jīng)系統(tǒng)地研究了AZ91合金激光粉末床熔融過程中的蒸發(fā)現(xiàn)象，在870 K（AZ91液相線溫度）和2000 K之間的溫度范圍內(nèi)，Mg的蒸發(fā)速率約為Al的4.2×104~ 3.5×1010倍、Zn的54~160倍和Mn的2.3×105~3.5×109倍，同時(shí)還建立了數(shù)值模型來預(yù)測(cè)AZ91的成分精度隨輸入能量密度Ev的變化，獲得最佳輸入功率密度為60 J/mm3。過高或過低的Ev都會(huì)導(dǎo)致熔池溫度過高，鎂優(yōu)先蒸發(fā)，使合金成分偏離Mg-9Al。在保證合金成分精度的前提下，鎂合金激光粉末床熔融技術(shù)的加工窗口相對(duì)有限。

△圖2 激光粉末床熔融技術(shù)圓柱形和立方體鎂合金樣品

除了蒸發(fā)之外，還必須考慮孔隙率，圖3給出了不同工藝參數(shù)與相關(guān)缺陷的關(guān)系示意圖，以及產(chǎn)品密度與輸入能量密度的關(guān)系圖。不同合金系之間的最低孔隙率對(duì)應(yīng)的最佳Ev值存在差別。對(duì)于Mg-Al合金，最佳Ev在100至200 J/mm3之間。Mg-RE合金則具有更大的加工窗口（50至250J/mm3）實(shí)現(xiàn)低孔隙率（

△圖3 (a)加工窗口和相關(guān)缺陷示意圖，(b)鎂合金相對(duì)密度與激光粉末床熔融技術(shù)輸入能量密度的函數(shù)關(guān)系

可見，合金成分對(duì)于實(shí)現(xiàn)高密度和低孔隙率也至關(guān)重要。增材制造鎂合金的孔隙難以避免，一定程度的孔隙率是可以接受的，但必須避免熱撕裂和開裂。與鑄造和鍛造合金相比，用于增材制造的常用鎂合金系要少得多。目前用于增材制造的商用鎂粉包括純鎂、AZ91和WE43，主要是因?yàn)樗鼈兊氖袌?chǎng)需求相對(duì)較大，可打印性更好，且具有結(jié)構(gòu)材料和生物醫(yī)用材料的特性。

△表1 激光增材制造鎂及鎂合金的輸入能量密度、晶粒尺寸、拉伸和電化學(xué)性能

表1總結(jié)了激光粉末床熔融制造鎂合金的拉伸性能，屈服強(qiáng)度通常在200MPa以上，有的達(dá)到350MPa，足以滿足大多數(shù)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用。然而，延展性低是一個(gè)主要問題，大多數(shù)激光粉末床熔融制造鎂合金的延展性小于5%，有些合金甚至沒有任何延展性，難以作為工程材料應(yīng)用�？焖倌�固導(dǎo)致的高殘余應(yīng)力和沿晶界形成的金屬間化合物是破壞延展性的根源。

此外，濺射的粉末或蒸汽會(huì)重新沉積在樣品表面，導(dǎo)致部分固結(jié)不良或粘結(jié)較弱，也不利于樣品延展性。據(jù)報(bào)道，激光粉末床熔融制造的WE43合金鎂合金擁有迄今為止最高的延展性，達(dá)到12.2%。樣品延展性的提高可以通過后續(xù)高溫退火處理，或者優(yōu)化粉末質(zhì)量、成分和加工工藝。目前，增材制造鎂合金最有前景的應(yīng)用是可生物降解植入物，激光粉末床熔融制造純鎂和某些鎂合金的電化學(xué)耐腐蝕性如表1所示，激光粉末床熔融制造WE43合金的耐腐蝕性遠(yuǎn)遜于鑄造合金。相比之下，Mg-Al合金表現(xiàn)出與鑄造合金相似的耐腐蝕性。對(duì)于Mg-Zn體系，激光粉末床熔融制造ZK60合金的腐蝕電流密度和析氫速率優(yōu)于鑄造ZK60合金，但樣品表面腐蝕情況更為嚴(yán)重。另外，考慮到激光粉末床熔融制造Mg合金的生物相容性，目前已有大量研究報(bào)告了激光粉末床熔融制造WE43合金作為體外支架植入物的生物相容性，未發(fā)現(xiàn)來自Mg-RE合金的細(xì)胞毒性，但裸材表面劇烈的析氫反應(yīng)導(dǎo)致局部pH值變化，會(huì)損害細(xì)胞代謝，這個(gè)問題可以通過表面改性來解決。除了WE43合金外，還有關(guān)于激光粉末床熔融制造Mg-Nd-Zn-Zr（JDBM）支架植入物的報(bào)道，與WE43合金的研究類似。

非激光鎂合金增材制造技術(shù)
該綜述文章還總結(jié)了鎂合金的非激光增材制造技術(shù)的相關(guān)報(bào)道。這些方法包括基于燒結(jié)的增材制造，線弧增材制造，基于摩擦攪拌的增材制造和間接增材制造。表2、表3與表4分別列出了基于燒結(jié)，線弧和基于摩擦攪拌的增材制造技術(shù)制備的鎂及鎂合金性能。

△表2 基于燒結(jié)的增材制造的鎂及鎂合金的燒結(jié)條件、密度、力學(xué)和電化學(xué)性能

△表3 線弧增材制造鎂合金的成分，晶粒尺寸和形狀以及拉伸性能

△表4 基于摩擦攪拌的增材制造的鎂合金的工藝參數(shù)、晶粒尺寸、力學(xué)性能

相比之下，激光增材制造技術(shù)展示出高尺寸精度，已制備出一系列強(qiáng)度較高的鎂合金，盡管延展性有限，但具有廣闊的發(fā)展前景。而非激光增材制造的鎂合金強(qiáng)度中等，相比之下具有可觀的延展性。此外，鎂合金的激光粉末床熔融技術(shù)最適合在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，然而該方法在產(chǎn)品尺寸上受限。粘結(jié)劑噴射增材制造技術(shù)的可擴(kuò)展性則有助于大規(guī)模生產(chǎn)。例如，在汽車工業(yè)等大批量行業(yè)，但發(fā)展相對(duì)緩慢，需要更全面的研究來深入了解其打印和燒結(jié)行為、微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律、力學(xué)和電化學(xué)特性。

總結(jié)
綜上所述，鎂合金增材制造具有廣闊的前景，通過增材制造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)包括但不限于：擴(kuò)展鎂中溶質(zhì)元素的溶解極限并探索以前不溶的元素（包括過渡金屬）的合金化行為；實(shí)現(xiàn)直接生產(chǎn)薄壁、桿部件，制備超輕量級(jí)組件；可模擬制備人體骨骼結(jié)構(gòu)的微觀和宏觀的分層多孔結(jié)構(gòu)，用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的設(shè)備和智能組件。

同時(shí)，該綜述表明，仍然存在如位錯(cuò)密度、殘余應(yīng)力、成分偏析、孔隙等對(duì)性能的作用機(jī)理（強(qiáng)化機(jī)制及對(duì)延展性的不利影響），原材料粉末制備工藝及狀態(tài)特性、增材制造工藝參數(shù)以及后處理等對(duì)產(chǎn)品性能的影響，鎂及鎂合金粉末生產(chǎn)安全及一致性等一系列科學(xué)、技術(shù)及生產(chǎn)實(shí)際難題，亟待進(jìn)一步研究與解決。