鎂合金增材制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢深度解析（一）

來源：輕合金國家工程研究中心應(yīng)用基地

航空航天、武器裝備等重要領(lǐng)域?qū)�輕量化材料的需求日益迫切，鎂合金作為質(zhì)量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料逐漸受到廣泛關(guān)注，鎂合金的增材制造也開始受到材料界越來越多的重視。

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，密度僅為1.74g/cm3，約為鋁合金的2/3、鋅合金的1/3、鋼鐵的1/4、鈦合金的2/5，與多數(shù)工程塑料相當(dāng)。不僅如此，鎂合金還具有諸多優(yōu)異的特性，例如優(yōu)良的比強(qiáng)度與比剛度、優(yōu)異的阻尼性能、熱穩(wěn)定性和抗電磁輻射性能等，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、電子通訊等領(lǐng)域。

隨著工業(yè)界對(duì)產(chǎn)品綜合性能要求的進(jìn)一步提升，流道、拓?fù)涞雀�加輕量化的零件設(shè)計(jì)理念開始嶄露頭角。然而目前鎂合金的成形方式依然主要采用傳統(tǒng)的鑄造、粉末冶金和塑性成形等，這些傳統(tǒng)的加工工藝難以對(duì)一體化構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)行加工，無法在部件內(nèi)部構(gòu)建精細(xì)流道結(jié)構(gòu)或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，限制鎂合金發(fā)揮輕量化的優(yōu)勢與復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成型的潛力。在此情況下，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。

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）

鎂合金的分類
3D打印技術(shù)已廣泛用于制造不銹鋼、鈦合金、鋁合金等復(fù)雜樣件，并成功用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣，散熱管道，減重結(jié)構(gòu)件等。近年來，隨著對(duì)鎂合金在加工過程中易燃性的了解不斷增加，針對(duì)鎂合金的增材制造相關(guān)研究也逐步展開，以期突破傳統(tǒng)鎂合金制備工藝對(duì)鎂合金發(fā)揮輕量化優(yōu)勢的限制。目前研究人員已經(jīng)成功利用選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)、電弧熔絲沉積技術(shù)（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）技術(shù)、攪拌摩擦增材技術(shù)（Friction Stir Additive Manufacturing, FSAM）技術(shù)、激光熔化沉積技術(shù)（Laser Melting Deposition，LMD）技術(shù)制備了具有拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，生產(chǎn)制造出了一系列無法用傳統(tǒng)加工方式制造的鎂合金零件，大大拓展了鎂合金在輕量化復(fù)雜構(gòu)件上的應(yīng)用潛力。

增材制造制備的多孔鎂合金零件

常用鎂合金成分及其分類

純鎂由于其強(qiáng)度太低而很少被直接使用，在增材制造中常用鎂合金按牌號(hào)分為 AZ系列（AZ31， AZ61，AZ80，AZ91），ZK系列（ZK60，ZK61），WE系列（WE43，WE54，WE93）。

AZ系列（Mg-Al-Zn）鎂合金是以 Mg-Al系鎂合金為基礎(chǔ)發(fā)展而來的，適量的Zn元素添加可以提升試件的抗蠕變性能并減輕鎂合金中的 Fe、Ni等雜質(zhì)元素對(duì)腐蝕性能所造成的不利影響，具有均衡的力學(xué)性能和一定的耐腐蝕能力，是目前在增材制造研究中應(yīng)用最廣泛的鎂合金。

ZK系列（Mg-Zn-Zr）鎂合金是在Mg-Zn系鎂合金的基礎(chǔ)上添加Zr元素發(fā)展而來，研究表明鎂中添加Zr元素后可以有效的細(xì)化晶粒，且有著較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，提升鎂合金的力學(xué)性能，是一種很有研究前景的生物醫(yī)用材料。

WE（Mg-RE）系列鎂合金屬于稀土鎂合金，添加稀土元素的鎂合金在室溫下表現(xiàn)出良好的抗蠕變性能和拉伸性能。然而，稀土元素成本較高，目前對(duì)增材制造的研究主要集中在 AZ系鎂合金，對(duì)其他系合金尤其是稀土鎂合金的增材制造研究較少，開發(fā)低成本、高性能的稀土鎂合金對(duì)鎂合金增材制造的研究具有重要意義。

不同牌號(hào)鎂合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

鎂合金3D打印技術(shù)
金屬材料的增材制造過程與熔融熱源特點(diǎn)息息相關(guān)，基于先進(jìn)連接技術(shù)的進(jìn)步，金屬材料的增材制造得到了迅速的發(fā)展。目前，市面上主流的鎂合金增材制造技術(shù)按照熔融熱源可以分為SLM、WAAM、FSAM，它們各自的原理圖如下圖所示。

鎂合金增材制造不同工藝示意圖

選區(qū)激光熔化技術(shù)

選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM）采用激光作為熱源對(duì)金屬粉末逐層掃描來獲得設(shè)計(jì)的金屬零件，適用于制造小體積，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)精度要求較高的零件。激光能量密度較高，斑點(diǎn)中心溫度遠(yuǎn)高于鎂合金沸點(diǎn)，在成形過程中常發(fā)生鎂合金蒸發(fā)和元素?zé)龘p。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果容易受各種條件（粉末形狀及尺寸、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、環(huán)境）影響，工藝窗口狹窄，參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致成形表面質(zhì)量較差，出現(xiàn)球化和蒸發(fā)等缺陷。

部分SLM鎂合金與鎂基復(fù)合材料SLM增材制造加工參數(shù)

目前國內(nèi)外對(duì)鎂合金 SLM的研究仍處于發(fā)展的初步階段，幾乎所有的研究都是通過大量實(shí)驗(yàn)探索合適的工藝參數(shù)，對(duì)比其微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能，相關(guān)研究尚未成熟。由于各實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)工藝參數(shù)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、硬件設(shè)備等因素密切相關(guān)，實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性較低，這使得各實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)工藝參數(shù)的實(shí)用價(jià)值不明顯�，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以建立準(zhǔn)確的理論模型，加深建模和仿真方面的研究將有助于鎂合金 SLM的廣泛應(yīng)用。

電弧熔絲沉積技術(shù)
電弧熔絲沉積技術(shù)（WAAM）依靠焊接電弧熔化焊絲沉積成形，具有低成本，沉積效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合較大體積復(fù)雜結(jié)構(gòu)的增材制造。電弧熱源熱輸入較大，在WAAM成形過程中易出現(xiàn)熱裂紋和氣孔，并產(chǎn)生嚴(yán)重的熱積累效應(yīng)，試樣下層經(jīng)受高溫?zé)岱e累和多次熱循環(huán)往往會(huì)發(fā)生晶粒粗化和晶粒取向改變，而熱應(yīng)力引起的材料變形則會(huì)導(dǎo)致成形精度下降。現(xiàn)階段研究主要集中在單道單層和單道多層堆焊成形和組織性能方面。

金屬絲是WAAM工藝的主要輸入材料，高性能的WAAM鎂合金工件對(duì)于絲材有一定的要求，如下表所示。

WAAM鎂合金所用絲材要求

固態(tài)攪拌摩擦增材技術(shù)
固態(tài)攪拌摩擦增材制造（FSAM）是通過攪拌頭的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)與層疊的薄板產(chǎn)生摩擦熱來使材料發(fā)生塑性變形并熔合在一起，具有制造效率高、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，適用于較大體積構(gòu)件的增材制造。在傳統(tǒng)鎂合金加工制造過程中常遇到粗晶、熱裂紋、氣孔、氧化和蒸發(fā)等諸多問題。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，F(xiàn)SAM工藝的熱輸入更少、熱影響區(qū)更窄、并且基于攪拌摩擦動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程可以獲得超細(xì)晶粒，有效地減少了傳統(tǒng)制造技術(shù)中的缺陷，使 FSAM工藝成為最適合于進(jìn)行鎂合金增材制造的工藝之一。不過采用 FSAM工藝制造鎂合金目前還存在一定的問題，增材制造后試樣中的孔隙、帶狀組織和鉤狀缺陷無法得到良好的解決。三種鎂合金增材制造工藝在適用條件，制造效率，熱源能量輸入，以及增材后構(gòu)件的組織形貌等方面有明顯的區(qū)別，其工藝特點(diǎn)對(duì)比如下表所示。

獲得專利的MELD固態(tài)攪拌摩擦焊工藝

此外，增材制造工藝中的安全問題至關(guān)重要，在SLM工藝中，由于所用鎂粉材料熱積聚快，表面積大，彼此間不能充分散熱，在與氧接觸的情況下極易發(fā)生燃燒和爆炸，需要嚴(yán)格遵守鎂合金粉末在保存和使用過程中的規(guī)范性操作，安全隱患尤為突出；WAAM工藝中，由于采用鎂合金焊絲作為原材料，制造過程不易發(fā)生燃燒和爆炸，安全性高；FSAM工藝中，通常選用鎂合金板材、絲材或粉材作為原材料，但是作為固相增材制造工藝的一種，其制造過程溫度較低，只是將材料加熱至熱塑性狀態(tài)而非熔化狀態(tài)，并且制造件尺寸大散熱好，因此制造過程較為安全。

鎂合金增材制造不同工藝特點(diǎn)對(duì)比