麻省理工:激光增材制造WE43 镁合金的组织和腐蚀性能研究取得进展

3D打印快讯
2020
08/03
09:39
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来源:江苏激光联盟联盟

来自麻省理工的研究人采用SLM技术进行了WE43镁合金的增材制造。并对沉积态、热等静压和热处理后的组织和机械性能以及腐蚀性能进行了对比研究。SLM沉积态的组织得到细化,优化SLM工艺参数之后进行热等静压,其缺陷率小于0.1%。电化学测试结果表明SLM制造的WE43 比铸造态更易腐蚀。这是因为富集了富Zr氧化物的原因且均匀分布,同时由于SLM的快速冷却改变了固溶的基材的组织。氧化物颗粒主要来自粉末。结果表明SLM制造的Mg合金性能可以得到增强,只要对粉末的粉末特征能够更加充分的理解和控制。
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图1 AM技术制造镁合金的 发展里程碑


金属的增材制造在制造复杂的设计形状、革新的节约材料方面继续展现出旺盛的生命力。金属的增材制造将继续见证高速的增长。据估计,在2024年将达到11 billion美元。同时,金属的增材制造,不论是制造关键部件还是非关键部件,均表现出极大的优势。

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(a)WE43镁合金粉末的新貌图及其用于SLM制造时的成分;(b) SLM制造的示意图;(c)SLM制造镁合金时的扫描策略;(d)实际制造镁合金的氧含量


在持续探索金属的3D打印和发挥3D打印的应用领域的探索中,对于镁合金的3D打印的探索引起了人们的广泛关注和极大的兴趣。Mg及其合金最为最轻的工程材料(1.4-2.0g/cm(exp33),同时易于回收再利用、焊接和具有高的比强度。其重要轻和比强度高这两个优点导致可以制造多种复杂形状的器件,如生物植入体、国防器件和3C产品(指电脑、通讯产品和消费电子)。在用于植入的生物植入领域,AM技术在制造个性化的植入物产品尚已经表现出独特的优势,如钛合金支架。而这一优势将转移到镁合金上来。镁合金,不像永久植入物材料,它呈现出独特的生物相容性和具有在体液中降解的特性,这就可以避免植入物的二次手术,对伤者的康复非常有利。
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a-c铸造WE43镁合金的典型组织 ;d-f EBSD结果;gXRD分析结果


尽管已经有较多的探索进行了镁合金的工艺、显微组织和性能的研究,但关于镁合金的研究报道依然有限。部分原因在于AM技术制造镁合金比较困难,如镁合金的活性比较强而带来安全方面的影响,同激光作用时易造成过热、汽化和蒸发等。在普通的环境中就易于燃烧(如在氧气和氮气环境下均可以燃烧),同时相对其他AM制造粉末,Mg合金粉末的来源也比较少。然而,随着AM技术的不断成熟和Mg合金研究与应用的不断深入,安全意识的不断提高和保护措施的不断增强,已经可以实现对镁合金MA技术的有效控制。图1 为关于镁合金增材制造的发展简史。
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SLMed、SLM+HIP、SLM+HIP+HT三种不同条件下的EBSD图


直到今天,针对Mg合金的AM制造依然局限于非常少量的镁合金系统,如AZ系和ZK系以及稀土镁合金。镁合金的AM研究的发展的时间轴(发展简史,见图1)也表明:大多数的镁合金AM制造集中在2010年以后,包括3D打印制造复杂形状的具有特殊用途的生物器件。最近的研究主要集中在AM制造WE43镁合金上。WE43 镁合金是一种Mg-Y-RE系合金。对WE43 镁合金感兴趣的原因在于合金中含大约4wt%的Y和3%的RE(一般是混合Nd、La和Ce,同时含小于0.5wt%的Zr,Zr的作用是细化晶粒)。含稀土镁合金包括WE43 和WE54, 具有提高室温和高温机械性能的能力(如拉伸和蠕变)。这一性能的提高是靠形成了热稳定性比较高的金属相来实现的。与此同时,耐蚀性和铸造时的合金耐热性(燃点提高)也相应的提高。
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a-c SLMed条件下的WE43诶合金的SEM图,d,e EDXS图,g XRD图


尤其是在最近的关于研究SLM制造WE43的显微组织以及制造复杂形状的WE43合金的研究开始做增多。第一代研究SLM制造WE43的制造支架(指周期性的多孔结构),并研究了在体液中的降解行为、机械性能和生物相容性。结果表明SLM制造的样品呈现出骨替代物的最为优异的替代物特征。制备块体的WE43合金时的显微组织和机械性能并同铸造状态和粉末挤压态相比较。SLM制造出的样品拉伸强度较高。最近的研究表明采用SLM制造的样品并热等静压WE43,开展相应的组织和性能研究。结果发现热等静压之后可以进一步的提高SLM制品的致密度。同时打印和热等静压的产品比传统铸造的WE43的性能要好。
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a-c STEM揭示SLMed WE43位错和晶胞边界,d元素分布,e,f EDXS


以上研究促使麻省理工的研究团队更有兴趣来探讨SLM制造镁合金,同时进一步的探讨SLM制造镁合金的工艺-显微组织-腐蚀性能之间的关系。尤其是SLM制造镁合金的腐蚀性能,直到今天,研究的尚不多。而镁合金的腐蚀性能的研究是限制镁合金应用的一个关键环节。为了充分发挥AM制造镁合金的优势和发挥出镁合金性能的优势,非常有必要采用AM技术制造镁合金来弥补现阶段的研究短板。因此,本文报道了SLM技术制造WE43 Mg合金的显微组织、电化学性能和腐蚀性能。相应地热等静压和热处理后的显微组织、电化学行为好腐蚀行为也进行了比较研究。
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a-c SLM+ HIP的SEM图, d-f 热处理后的组织,gSLM+HIP+ HT的STEM-EDXS图

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a,b SLM+HIP+HT的Stem -edxs ,C 选取组织,d 统计结果

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腐蚀结果


来源:A detailed microstructural and corrosion analysis of magnesium alloy WE43 manufactured by selective laser melting,Additive Manufacturing,Volume 35, October 2020, 101321,https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101321


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