六校聯(lián)合發(fā)表鎂合金頂刊綜述：鎂合金增材制造的最新進(jìn)展與展望

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：鎂合金在輕量化和先進(jìn)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(duì)其鎂基合金的需求不斷增長(zhǎng)。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(yīng)用，并為利用“3D打印”帶來(lái)的新型物理結(jié)構(gòu)提供了新的前景。在此，澳大利亞國(guó)立大學(xué)、新加坡制造技術(shù)研究所、中國(guó)湖南大學(xué)、美國(guó)麻省理工學(xué)院等六所國(guó)內(nèi)外頂級(jí)研究機(jī)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(cè)量性能（與常規(guī)制備的鎂合金進(jìn)行比較）。AM鎂合金的挑戰(zhàn)和可能性在機(jī)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(qiáng)度使其成為汽車(chē)、消費(fèi)電子和航空航天應(yīng)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(lèi)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(yīng)所必需的，它們?cè)鰪?qiáng)新陳代謝并介導(dǎo)成骨細(xì)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(yīng)用和心臟病學(xué)。迄今為止，>95%的鎂合金產(chǎn)品是通過(guò)鑄造（包括壓力壓鑄）生產(chǎn)的，而鍛造鎂合金的應(yīng)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(lái)越受到關(guān)注，因?yàn)锳M使傳統(tǒng)制造無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如設(shè)計(jì)自由度（和拓?fù)鋬?yōu)化）、最小的資源浪費(fèi)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(fù)雜內(nèi)部和外部幾何形狀的能力使開(kāi)發(fā)精確的幾何特征成為可能（參見(jiàn)圖1中的復(fù)雜晶格幾何形狀）。設(shè)計(jì)自由度使人們能夠通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化和使用自由空間作為設(shè)計(jì)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(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，增殖和骨再生;或者如果用作Mg電極，則提供顯著的反應(yīng)區(qū)域。AM-Mg技術(shù)有望滿(mǎn)足骨科和血管外科對(duì)高性能可生物降解植入物的高需求，并使制造患者專(zhuān)用和拓?fù)鋬?yōu)化的植入物在技術(shù)上可行。此外，對(duì)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(diǎn)，這些研究報(bào)告使用各種AM技術(shù)成功生產(chǎn)了具有增強(qiáng)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(yīng)性質(zhì)，除了有關(guān)鎂粉的氧化，蒸發(fā)和處理的其他問(wèn)題外，還引起了健康和安全問(wèn)題。然而，正如自2010年以來(lái)的研究成果（圖2）所指出的那樣，LPBF過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)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(fù)地用于安全地制造不同成分的Mg合金。防護(hù)措施包括（1）在防火安全儲(chǔ)罐中處理/儲(chǔ)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(xùn);（3）準(zhǔn)備和清潔LPBF機(jī)器的過(guò)濾器和處理室，包括去除靜電放電等所有潛在的點(diǎn)火原因;（4）在增材制造之前和期間控制反應(yīng)氣體。除了安全問(wèn)題外，另一個(gè)限制LPBF-Mg合金發(fā)展的問(wèn)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(huì)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(zhēng)論中，但我們?nèi)匀唤邮芩鼈冊(cè)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(píng)。澳大利亞國(guó)立大學(xué)、新加坡制造技術(shù)研究所、中國(guó)湖南大學(xué)、美國(guó)麻省理工學(xué)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(dú)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(gè)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(bào)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(jìn)展，系統(tǒng)地研究和批判性地分析迄今為止報(bào)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�言之，將討論AM-Mg面臨的一些挑戰(zhàn)，并提供未來(lái)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

在介紹的方法中，最終應(yīng)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(xué)應(yīng)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(jiàn)的是，增材制造 Mg合金的前景是巨大的，并且實(shí)現(xiàn)本文引言中提出的機(jī)會(huì)的潛力都是可能的（凈形狀，多樣化的合金成分，復(fù)雜的設(shè)計(jì)，定制等）。然而，這篇綜述也非常清楚地表明，仍然存在許多開(kāi)放的研究問(wèn)題，并且到目前為止還沒(méi)有（單一或社區(qū)）嘗試回答這些問(wèn)題。這種懸而未決的問(wèn)題的一個(gè)例子是增材制造 Mg合金的延展性是否受到位錯(cuò)密度或殘余應(yīng)力的不利影響？在AM鎂合金中是否對(duì)位錯(cuò)密度進(jìn)行了適當(dāng)?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(huì)是什么樣子？等。

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）。

圖 2.時(shí)間軸顯示了基于粉末的AM-Mg研究和開(kāi)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(xué)研究以來(lái)的“里程碑”。

圖 3.在減容系統(tǒng)中以圓柱形和立方形的鎂合金的LPBF

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。

圖 5.（a） 加工窗口和相關(guān)缺陷的示意圖，（b） 迄今為止報(bào)告的 LPBF-Mg 合金能量輸入密度函數(shù)的相對(duì)密度和（c）相對(duì)密度高（≥99%）的樣本。

圖 6.LPBF中純Mg的處理窗口。

圖 7.LPBF-AZ91合金的EBSD方向圖和SEM圖像

圖 8.EBSD取向圖顯示（a）塊狀LPBF-WE43樣品中的細(xì)粒，等軸和隨機(jī)取向的晶粒，（b）最后一個(gè)熔池中的細(xì)粒，等軸和隨機(jī)取向的晶粒及其周?chē)�的大，不�?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)。

圖 9.（a） 激光增材制造的鎂合金對(duì)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 。

圖 10.通過(guò)毛細(xì)管介導(dǎo)的橋接對(duì)Mg-Zn-Zr粉末進(jìn)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(duì)Mg-Zn-Zr粉末，綠色部件和燒結(jié)部件的化學(xué)分析顯示燒結(jié)樣品中原料的化學(xué)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(jiàn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)有來(lái)自完全獨(dú)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(guò)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(mǎn)意的強(qiáng)度，盡管延展性有限;WAAM表現(xiàn)出中等強(qiáng)度，但具有可觀的延展性;FSAM也表現(xiàn)出中等強(qiáng)度，也具有可觀的延展性。