高性能鎂合金增材制造成形過程數(shù)值模擬、顯微組織及力學性能與優(yōu)化研究

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

鎂合金在航空航天、軌道交通、新能源、生物醫(yī)用等領域具有廣闊應用前景，增材制造技術(Additive Manufacturing)的發(fā)展為成形復雜結構的高性能鎂合金構件提供了可能。然而，鎂合金熔沸點低、蒸氣壓高、氧化性強的特點易使增材制造構件內部形成孔隙、裂紋、夾雜物等缺陷，導致增材制造鎂合金的應用水平遠遠落后于高溫合金、鋁合金、鈦合金等材料，開發(fā)適用于鎂合金的增材制造技術并通過材料改性與工藝優(yōu)化減少冶金缺陷是突破增材制造鎂合金應用瓶頸的關鍵。鎂合金增材制造技術主要有激光選區(qū)熔化(Selective laser melting, SLM)、電弧增材制造(Wire arc additive manufacturing, WAAM)以及攪拌摩擦增材制造(Friction stir additive manufacturing, FSAM)和攪拌摩擦沉積增材(Additive friction stir deposition, AFSD)。通過歸納梳理鎂合金增材制造技術的研究現(xiàn)狀與技術進展，總結了鎂合金在不同增材制造技術成形過程中的數(shù)值模擬研究結果，對比分析了不同增材制造技術關鍵工藝參數(shù)對鎂合金構件組織結構和力學性能的影響，并對鎂合金增材制造技術未來的研究重點進行了展望。論文原文下載見本文末

鎂合金密度低、比強度高、綜合力學性能優(yōu)異，同時具有良好的阻尼特性、儲氫能力和生物相容性，在航空航天、軌道交通、新能源、生物醫(yī)用等領域的應用前景十分廣闊[1-5]。然而，鎂合金的化學性質十分活潑，鑄造、鍛造、焊接等傳統(tǒng)成形工藝難以獲得滿意的控形-控性效果，迫切需要從原料形態(tài)、成形原理、構件結構與性能一體化設計的角度開發(fā)全新的先進制造技術。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！

近年來，增材制造技術(Additive manufacturing, AM)的快速發(fā)展為成形具有復雜結構的高性能鎂合金構件提供了可能。AM 以激光、電子束或電弧等高能束為熱源，以數(shù)字模型為基礎，以粉材、絲材等為原料，通過逐層堆疊的方式構造三維實體，被認為是制造技術的一次革命性突破[6-10]。2010 年以來，AM 在鎂合金構件設計與制造領域的應用水平愈發(fā)成熟。目前，鎂合金增材制造技術主要有激光選區(qū)熔化(Selective laser melting, SLM)[11]和電弧增材制造(Wire arc additive manufacturing, WAAM)[12]，WAAM 技術包括熔化極氣體保護焊(Gas metal arc welding, GMAW)[13]、鎢極惰性氣體保護焊(Gas tungsten arc welding, GTAW)[14]、等離子弧焊(Plasma arc welding, PAW)[12]和冷金屬過渡弧焊(Cold metal transfer, CMT)[15]。

此外，有學者對基于攪拌摩擦成形原理開發(fā)的攪拌摩擦增材制造技術(Friction stir additive manufacturing, FSAM)和攪拌摩擦沉積增材技術(Additive friction stir deposition, AFSD)進行了探索[16-17]。表 1 和圖 1 分別對比了鎂合金增材制造技術的工藝特點和成形后構件的實物圖。根據(jù)原料在成形時是否發(fā)生熔化，可將上述技術分為液相(SLM、WAAM)和固相(FSAM、AFSD)兩類[18]，其中 SLM 的成形質量較好，WAAM 的成形效率較高，應依據(jù)構件的尺寸和結構及對效率和成本的綜合要求選擇合適的成形技術。

需要指出的是，鎂合金熔沸點低、蒸氣壓高、氧化性強的特點極易使增材制造構件內部形成孔隙、裂紋、夾雜物等缺陷，這給鎂合金增材制造構件的制備帶來了很大困難。盡管鎂合金增材制造技術的研究成果逐年增多，但相比于高溫合金、鋁合金、鈦合金，鎂合金增材制造構件的研究水平較為滯后[28-31]。開發(fā)更適合鎂合金的增材制造技術并通過材料改性與工藝優(yōu)化來減少冶金缺陷是突破其應用瓶頸的關鍵�；�于此，本文綜述鎂合金增材制造技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，總結不同增材制造技術在成形鎂合金時的數(shù)值模擬研究結果，分析相應工藝參數(shù)對鎂合金增材制造構件組織結構和力學性能的影響規(guī)律，并對鎂合金增材制造技術未來的研究重點進行展望。

1 鎂合金 SLM 增材制造技術

SLM 是 2000 年左右出現(xiàn)的一種新型增材制造技術，它利用高能激光熱源將金屬粉末完全融化后快速冷卻凝固成形，從而得到高致密度、高精度的金屬構件，其工作原理如圖 2 所示[32]。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！

1.1 SLM 成形過程的數(shù)值模擬
SLM 成形過程中，鎂合金粉末發(fā)生熔化并迅速凝固(冷卻速率高達 10e4～10e5 K/s)，熔池的溫度梯度可達 103～105 K/cm，難以實時監(jiān)控激光能量的傳遞與吸收、熔池的動力學行為[33-34]。

1.2 SLM 鎂合金的微觀組織

現(xiàn)階段對于鎂合金 SLM 增材制造技術的研究比較全面，按照合金元素的不同，主要的材料體系包括 Mg-Al-Zn(AZ 系列)、Mg-Zn-Zr(ZK 系列)、Mg-Y-RE(WE 系列)等商用牌號鎂合金以及 Mg-Ca、Mg-Zn-Dy、Mg-Sn 等新型鎂合金[24, 37-48]。表 2 總結了 SLM 成形典型牌號鎂合金的組織結構特征。

1.3 SLM 鎂合金的力學性能

隨著技術水平的進步和工藝參數(shù)的優(yōu)化，SLM鎂合金的致密度越來越接近 100%，力學性能可以達到或超過鍛造態(tài)鎂合金。表 3 對比了 SLM 成形典型牌號鎂合金的力學性能。

目前，大多數(shù) SLM 鎂合金的綜合力學性能均優(yōu)于相同成分的鑄態(tài)鎂合金，如何協(xié)同提高材料的強度、塑性、韌性是今后的研究重點�，F(xiàn)階段對 ZK 系列鎂合金和 AZ 系列鎂合金SLM 成形工藝的研究較為成熟。LIANG 等[46]研究指出，SLM-ZK60 鎂合金在最佳工藝條件下的顯微硬度和屈服強度分別為 90 HV 和 172.59 MPa，均高于鑄態(tài) ZK60 鎂合金。王金業(yè)等[39]對比了最佳 SLM工藝參數(shù)所得 AZ91 鎂合金與壓鑄態(tài) AZ91 鎂合金的力學性能(見表 4)，SLM 態(tài)鎂合金的力學性能明顯高于壓鑄態(tài) AZ91 鎂合金，其平均抗拉強度和延伸率分別比壓鑄態(tài)提高了 38.09%和 138.67%。

1.4 SLM 鎂合金的性能優(yōu)化

為解決 SLM 鎂合金致密度較低、易產生內部缺陷等問題，常采用后處理方法來改善材料的微觀組織以提高其力學性能。常用的后處理方法主要有熱等靜壓(Hot isostatic pressing, HIP)和熱處理(Heat treatment, HT)。LIU 等[56]對 SLM-AZ61 鎂合金進行HIP 處理，有效改善了其微觀組織和力學性能。

2 鎂合金 WAAM 增材制造技術

WAAM 又稱為電弧法熔絲沉積成形，該技術以電弧或等離子弧作為熱源將金屬絲材熔化，按照成形路徑逐層熔覆堆疊，根據(jù)三維數(shù)字模型由線-面-體制造出接近產品形狀和尺寸要求的三維金屬坯 體[59]，其工作原理如圖 7 所示[60]。與 GMAW、GTAW和 PAW 技術相比，CMT 技術因熱輸入低、工藝參數(shù)精確可控等優(yōu)點而成為鎂合金 WAAM 的主流技術[12-15]。

2.1 WAAM 成形過程的數(shù)值模擬

目前有關 WAAM 成形鎂合金的數(shù)值模擬研究較少。何俊杰等[61]利用 FLUENT 軟件建立了鎂合金 CMT 成形時焊絲-熔滴-熔池的多相流模型，研究了能量輸入及焊絲抽送運動對熔池形態(tài)的影響，結果如圖 8 所示，在焊絲回抽的短路階段，熔池被向上提拉并在焊絲端部形成液橋，內部熔體在馬蘭戈尼效應(Marangoni effect)的作用下由邊緣流向中間、由下方流向上方；當焊絲脫離熔池后，熔池受到液橋斷裂的反作用力，熔體快速向后方流動而改變熔池形狀，焊絲回抽過程中形成的馬蘭戈尼效應是影響熔池形態(tài)的主要因素。GRAF 等[62]利用 MSC. Marc 非線性有限元軟件預測了 CMT 過程中焊絲進給速度、焊接路徑對 AZ31 鎂合金薄壁件溫度場的影響，并通過實驗手段驗證了理論模型的可靠性。

2.2 WAAM 鎂合金的微觀組織

受制于復雜的制備工藝和高昂的生產成本，鎂合金絲材的種類十分有限，現(xiàn)有比較成熟的商業(yè)化鎂合金絲材主要是 AZ 系列，因此 WAAM 采用的原材料以 AZ 系列鎂合金為主。表 5 總結了 WAAM 成形不同成分 AZ 系列鎂合金的組織結構特征。

2.3 WAAM 鎂合金的力學性能
國內外學者針對WAAM技術制備的AZ系列鎂合金的力學性能開展了大量研究。表 6 總結了WAAM 成形不同成分 AZ 系列鎂合金的力學性能。與 SLM 鎂合金相比，WAAM 鎂合金能夠保持較高的力學強度，同時表現(xiàn)出更高的斷裂延伸率。WAAM 鎂合金的力學性能具有明顯的各向異性，WANG 等[67]研究了 CMT-AZ31 鎂合金橫向和縱向的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)沉積方向(TD)的屈服強度和抗拉強度分別為 85.4 MPa 和 225.7 MPa，而構建方向(BD)的屈服強度和抗拉強度分別為 125.9 MPa 和210.5 MPa。同樣地，在 AZ61、AZ80M、AZ91、AEX11 等成分中也發(fā)現(xiàn)了 WAAM 構件的力學性能具有各向異性現(xiàn)象[63-66]。

2.4 WAAM 鎂合金的性能優(yōu)化

僅僅通過調節(jié) WAAM 的工藝參數(shù)對材料力學性能的提升效果十分有限，因此有必要采用合適的后處理工藝來進一步改善材料性能。與 SLM 鎂合金類似，WAAM 鎂合金的后處理工藝也常采用熱處理和壓力加工等方法。GUO 等[76]對比了沉積態(tài)(AD)、固溶處理(T4)、固溶+不完全時效處理(T5)以及固溶+時效處理(T6)對 WAAM-AZ80M 鎂合金組織和力學性能的影響，結果見圖 11，T4 處理后共晶組織溶解，合金元素的顯微偏析有所改善；T5 處理后網狀β 相從共晶組織周圍析出；T6 處理后細小的 β 相從基體中析出，分布于晶粒和晶界上。T6 處理同時提高了材料的強度和塑性，消除了沿沉積方向和構建方向的各向異性。

郭陽陽[77]研究了滾軋?zhí)幚韺�WAAM-AZ80M 鎂合金微觀組織和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)滾軋?zhí)幚砜擅黠@減少材料內部第二相的含量和尺寸，細化晶粒并弱化織構，未經滾軋試樣的組織為粗大的等軸晶，平均晶粒尺寸為 56 μm；而經 2 kN 和 4 kN 軋制力滾軋?zhí)幚砗�，試樣的平均晶粒尺寸分別為 40 μm 和 35 μm，材料的強度和塑性隨滾軋壓力的增大而逐漸提高。此外，攪拌摩擦處理也能改善 CMT 鎂合金的表面質量，可消除焊道搭接與基板的界面處孔洞，進一步細化晶粒而降低服役時的斷裂風險，這驗證了 CMT 與攪拌摩擦處理復合制造高性能鎂合金的可行性[78]。

3 鎂合金攪拌摩擦增材制造技術

近年來，研究人員基于攪拌摩擦成形原理開發(fā)了 FSAM 和 AFSD 兩種新型固相焊接技術，它們的工作原理如圖 12 所示[79]。

3.1 攪拌摩擦成形過程的數(shù)值模擬

現(xiàn)階段有關鎂合金 FSAM 增材制造技術的研究逐漸增多，國內外學者根據(jù)數(shù)值模擬結果對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，同時研究了 FSAM 鎂合金的微觀組織和力學性能。李如琦等[85]建立了 FSAM成形多層 AZ31 鎂合金薄板的計算流體力學模型，研究了攪拌頭轉速和板材層數(shù)對焊材流變行為、溫度場以及應變率的影響，結果如圖 13 所示，攪拌區(qū)焊材的應變率和再結晶晶粒尺寸隨攪拌頭轉速的提高而增大，攪拌區(qū)晶粒尺寸隨板材層數(shù)的增加而減小。

3.2 攪拌摩擦成形鎂合金的組織與性能

攪拌摩擦增材制造構件的成形質量與原料類型密切相關，由于商用牌號鎂合金的制備工藝成熟、可穩(wěn)定地生產粉材、絲材、板材等多種形式，因此攪拌摩擦成形的鎂合金以商業(yè)牌號為主，包括 AZ系列和 WE 系列鎂合金。表 7 總結了攪拌摩擦成形鎂合金的組織特征與力學性能。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！

4 結論與展望

(1) 隨著增材制造鎂合金在航空航天、軌道交通、新能源、生物醫(yī)用等領域的應用范圍不斷擴大，傳統(tǒng)基于粉末冶金工藝開發(fā)的商用牌號鎂合金粉末無法很好滿足增材制造技術的特殊要求，迫切需要開發(fā)增材制造專用的具有特定成分、形貌和粒度的鎂合金粉末體系，同時完善原材料的評價方法。

(2) 增材制造技術直接制備的鎂合金構件往往存在一定的孔隙、裂紋、夾雜物等缺陷，有必要開發(fā)適當?shù)暮筇幚砉に�，通過表面改性、熱加工變形等方法改善構件的組織結構來提高其綜合力學性能，以適應更加嚴苛的使用條件。

(3) 現(xiàn)階段對于增材制造鎂合金服役性能的研究主要集中在力學性能，考慮到構件在實際服役過程中可能同時受到載荷與腐蝕的耦合作用，后續(xù)應加強對構件腐蝕行為、應力腐蝕行為、腐蝕疲勞行為的研究，以應對不同的服役工況。