六校联合发表镁合金顶刊综述：镁合金增材制造的最新进展与展望

来源：材料学网

导读：镁合金在轻量化和先进设备的背景下仍然至关重要。镁（Mg）的利用率逐年增加，表明对其镁基合金的需求不断增长。增材制造（AM）提供了直接制造网形组件的可能性，为使用镁合金提供了新的可能性和应用，并为利用“3D打印”带来的新型物理结构提供了新的前景。在此，澳大利亚国立大学、新加坡制造技术研究所、中国湖南大学、美国麻省理工学院等六所国内外顶级研究机构在本文综述全面探索迄今为止镁合金的增材制造，包括所用工艺和测量性能（与常规制备的镁合金进行比较）。AM镁合金的挑战和可能性在机械冶金领域得到了批判性的阐述。

镁（Mg）具有最低的密度（1.74克/厘米）3），其密度约为铝合金的65%，钛的密度的38%，钢的密度的25%。镁合金的高比强度使其成为汽车、消费电子和航空航天应用中轻量化的有吸引力的材料。镁合金也是可生物降解的，并且具有类似于人体骨骼的弹性模量（～45 GPa）。镁离子（毫克）2+）是人体内许多生化反应所必需的，它们增强新陈代谢并介导成骨细胞增殖。因此，镁合金也被考虑用于医疗领域，例如骨科，颌面应用和心脏病学。迄今为止，>95%的镁合金产品是通过铸造（包括压力压铸）生产的，而锻造镁合金的应用有限，主要是由于在室温下成型性和加工性不足。

镁合金的增材制造（AM）在材料界越来越受到关注，因为AM使传统制造无法实现的设计能力，并且可能还有迄今为止未知的材料性能。增材制造具有几个独特的优势，例如设计自由度（和拓扑优化）、最小的资源浪费和更少的能源使用。此外，AM克服了传统（形成性或减法）制造路线的局限性。高精度生产复杂内部和外部几何形状的能力使开发精确的几何特征成为可能（参见图1中的复杂晶格几何形状）。设计自由度使人们能够通过拓扑优化和使用自由空间作为设计变量，使最轻的工程金属更轻。此外，如果用作生物材料，具有大表面积的组分将促进细胞生长，增殖和骨再生;或者如果用作Mg电极，则提供显着的反应区域。AM-Mg技术有望满足骨科和血管外科对高性能可生物降解植入物的高需求，并使制造患者专用和拓扑优化的植入物在技术上可行。此外，对工艺参数的精确控制可以生产出具有定制微观结构和性能的合金。最近的研究已经证明了这一点，这些研究报告使用各种AM技术成功生产了具有增强性能的新型Al，Fe和Ti基合金。

然而，迄今为止，AM-Mg合金领域的研究一直受到限制。这可能部分是由于镁（在大气条件下）的反应性质，除了有关镁粉的氧化，蒸发和处理的其他问题外，还引起了健康和安全问题。然而，正如自2010年以来的研究成果（图2）所指出的那样，LPBF过程中的风险控制已经显示出巨大的成功，允许基于Mg粉末的添加剂方法被常规和可重复地用于安全地制造不同成分的Mg合金。防护措施包括（1）在防火安全储罐中处理/储存镁合金粉末并适量;（2）管理可能需要采取控制措施的情况的人员培训;（3）准备和清洁LPBF机器的过滤器和处理室，包括去除静电放电等所有潜在的点火原因;（4）在增材制造之前和期间控制反应气体。除了安全问题外，另一个限制LPBF-Mg合金发展的问题是Mg粉末的质量一致性。Mg粉末的性质不断变化，因此您不会找到固定的LPBF参数。

除了基于激光粉末的增材制造外，还探索了各种增材制造方法，包括烧结，线弧增材制造（WAAM），搅拌摩擦加工和喷墨方法。尽管这些不同的方法是否可以被视为“增材制造”在社区中仍在争论中，但我们仍然接受它们在一般意义上遵循“增材制造”策略，因此将它们纳入本综述。鉴于增材制造技术已经得到了Debroy等人的好评。澳大利亚国立大学、新加坡制造技术研究所、中国湖南大学、美国麻省理工学院等在本综述中将仅关注增材制造Mg（而不是一般的AM技术），该技术呈现了与其他AM合金系统（如Al，Ti和钢）的许多独特特性。迄今为止，尽管已经发表了几篇关于镁增材制造的综合综述，但AM-Mg中的成分 -加工-微观结构-性质关系尚未得到系统的探索（或建立）。造成这种情况的一个主要原因是AM-Mg合金的微观结构 - 性能关系的结果在不同的报告中揭示了一些差异。本综述的目的是总结AM-Mg的最新进展，系统地研究和批判性地分析迄今为止报告的结果；并允许揭示控制AM-Mg微观结构和性质的关键因素。总而言之，将讨论AM-Mg面临的一些挑战，并提供未来的展望。本研究以题“Recent progress and perspectives in additive manufacturing of magnesium alloys”发表在Journaal of Magnesium and Alloys 上。

链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 00688#fig0011Recent

在介绍的方法中，最终应用将与生产路线的选择相关。例如，根据本文审查的作品，似乎大多数方法（LPBF除外）都不适合生物医学应用。相反，LPBF在可能生产的组件的尺寸上受到限制。然而，显而易见的是，增材制造 Mg合金的前景是巨大的，并且实现本文引言中提出的机会的潜力都是可能的（净形状，多样化的合金成分，复杂的设计，定制等）。然而，这篇综述也非常清楚地表明，仍然存在许多开放的研究问题，并且到目前为止还没有（单一或社区）尝试回答这些问题。这种悬而未决的问题的一个例子是增材制造 Mg合金的延展性是否受到位错密度或残余应力的不利影响？在AM镁合金中是否对位错密度进行了适当的研究 - 以及如何与其他六方密排合金（如钛合金）相比性能？在总是发生一些蒸发的情况下，LPBF中AM Mg合金的凝固会是什么样子？等。

图 1.激光粉末 - 床融合制备了“Mg”形状的晶格结构，由Mg合金WE43生产（图片由Meotec GmbH和Dr.M. Esmaily提供）。

图 2.时间轴显示了基于粉末的AM-Mg研究和开发的历史背景，表明了自首次利用AM烧结Mg粉末的科学研究以来的“里程碑”。

图 3.在减容系统中以圆柱形和立方形的镁合金的LPBF

图 4.镁的蒸发速率（J毫克）和各种温度下AZ91D熔池中的合金元素比（J铝， J锌和 J锰—分别燃烧Al、Zn和Mn）（a） J毫克（b） J毫克/J铝（c） J毫克/J锌（d） J毫克/J锰.（e） 不同样品的Mg/Al重量比（η）以及η与激光能量密度的拟合关系（EV).转载自。

图 5.（a） 加工窗口和相关缺陷的示意图，（b） 迄今为止报告的 LPBF-Mg 合金能量输入密度函数的相对密度和（c）相对密度高（≥99%）的样本。

图 6.LPBF中纯Mg的处理窗口。

图 7.LPBF-AZ91合金的EBSD方向图和SEM图像

图 8.EBSD取向图显示（a）块状LPBF-WE43样品中的细粒，等轴和随机取向的晶粒，（b）最后一个熔池中的细粒，等轴和随机取向的晶粒及其周围的大，不规则形状和基础取向晶粒，以及（c）大，不规则形状和基础取向的晶粒（d 和 e）在两种不同放大倍率下从同一材料获得的EDXS图，以及（f）XRD光谱，显示LPBF-WE43中存在各种相，包括金属间和富氧物质。

图 9.（a） 激光增材制造的镁合金对铸造合金和锻造（轧制和挤压）合金的拉伸性能。拉伸断裂面为（b）Mg-9Al 和（c）WE43 。

图 10.通过毛细管介导的桥接对Mg-Zn-Zr粉末进行粘合剂喷射，（a）层厚为100μm且溶液饱和度为70的绿色部件的宏观照片，（b）绿色部件中的固体颗粒间桥，使Mg粉末颗粒的快速3D组装成为可能，（c）对Mg-Zn-Zr粉末，绿色部件和烧结部件的化学分析显示烧结样品中原料的化学成分零和变化。

总结：上述回顾和讨论总结了与镁合金生产中AM的主要方法相关的关键方面。显而易见的是，现在已经有来自完全独立的研究小组的广泛尝试，从而成功制备了AM Mg合金。在所使用的方法中，激光粉末床熔融（LPBF），线弧增材制造（WAAM）和摩擦搅拌增材制造（FSAM）所有这些都证明了它们能够通过AM生产镁合金。就小型摘要而言：LPBF展示了高尺寸公差的前景，一系列合金，令人满意的强度，尽管延展性有限;WAAM表现出中等强度，但具有可观的延展性;FSAM也表现出中等强度，也具有可观的延展性。