上海交通大学曾小勤教授团队：增材制造镁合金的研究现状与展望

来源： 中国有色金属学报

镁合金是最轻的金属结构材料，具有诸多优异的特性，例如优良的比强度与比刚度、优异的阻尼性能、热稳定性和抗电磁辐射性能等，已经被广泛应用于航空、航天、汽车、电子通讯等领域。随着工业界对产品综合性能要求的进一步提升，流道、拓扑等更加轻量化的零件设计理念开始崭露头角。然而目前镁合金的成形方式依然主要采用传统的铸造、粉末冶金和塑性成形等，这些传统的加工工艺难以对一体化构件内部进行加工，无法在部件内部构建精细流道结构或拓扑结构，限制镁合金发挥轻量化的优势与复杂结构件成型的潜力。

增材制造技术是以计算机辅助设计、材料加工与成形技术、数烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积从而获得实体物品的制造技术。该方法具有无需模具、快速响应、材料利用率高、可成形任意复杂构件等优点，这使得过去受到传统制备方式约束而无法实现的复杂结构件的制造变为可能。近年来，针对镁合金的增材制造相关研究也逐步展开，以期突破传统镁合金制备工艺对镁合金发挥轻量化优势的限制。

选取镁合金增材制造中研究较为成熟的 SLM技术与 WAAM技术，综述其研究现状，分析这两种增材制造工艺的核心参数及其对材料成形质量、微观组织、以及服役性能的影响，目前取得的研究成果、进展以及每种工艺的优势劣势，并对其未来研究方向进行展望。

WAAM增材制造无需开模，柔性化程度高，整体制造周期短，能够实现数字化、智能化制造，制造设备要求低，对设计的响应快，适合于多品种产品制造，依靠电弧增材制造工艺可将制造时间和后加工时间分别减少 40%–60%和 15%–20%，通过合理过程控制可以制造具有优良力学性能的镁合金。镁合金 WAAM增材相关研究目前集中在调控快速凝固过程中晶粒细化与热影响区长大的研究上。利用脉冲电流破碎熔池等方法形成细小的晶粒有助于镁合金强韧性的提高，减少增材过程中由于热影响区导致的柱状晶，提高了WAAM镁合金力学性能的各向同性，如图1所示。

图1  不同脉冲频率下沉积样品的微观结构：(a) 500Hz; (b) 100Hz; (c) 10Hz; (d) 5Hz; (e) 2Hz; (f) 1Hz

SLM工艺成形精度更高，表面平整度更好，具有更高的熔体凝固速度，有利于形成细小晶粒，从而提高成形样件的综合力学性能，适合作为高精度，高订制化的零部件，不仅广泛用于公共医疗领域，用于定制可降解的植入体，也常被用来定制航天领域的精细部件。镁合金粉末的形状和尺寸对 SLM过程中铺粉流动性和激光反射的过程起着重要作用，加入高激光吸收率的材料（如碳纳米管、石墨烯）可以有效提高镁合金粉末对激光的吸收率。SLM工艺参数会影响成型样件的孔隙率、微观结构和综合性能。在SLM成型过程中，不仅要考虑激光功率、扫描速度、扫描间距，层厚分别带来的影响，也要平衡各参数，使得能量输入密度在合理的区间内。表1给出了部分SLM镁合金使用的加工参数。

表1 部分SLM镁合金与镁基复合材料SLM增材制造加工参数

研究结论
镁合金增材制造优势突出，前景广阔。但同时很多问题制约镁合金增材制造工艺的进一步应用与发展：

（1）基础研究理论匮乏，缺乏镁合金打印过程中能量输入的调控模型，如过热熔体反冲压形成的飞溅；以及快冷过程中微观组织演化的理论研究；
（2）镁合金增材制造经验相对匮乏，经常存在一定的缺陷，如热裂纹、气孔等，需要针对镁合金开发专门的SLM成型工艺；
（3）目前尚无适用于增材制造的专用镁合金原材料，亟需开发适合增材制造加工的镁合金成分体系。

团队介绍
曾小勤，国家杰青，上海交通大学科学技术发展研究院院长，材料科学与工程学院特聘教授，上海镁材料及应用工程技术研究中心主任、中国材料研究学会理事/青年工作委员会副主任。长期开展先进镁合金强韧化理论、不锈镁合金设计和材料因工程等研究。主持多项国家自然科学基金、科技部支撑计划、国家重点研发计划。入选教育部“新世纪人才”和上海市“曙光学者”、“科技启明星”计划。先后发表SCI收录论文270余篇，累计他引3479 次，单篇最高他引351次。参与撰写专著2本，申请发明专利120余项，授权国内专利60余项，美国专利1项。曾获国家技术发明一等奖，国家科技进步二等奖，教育部技术发明二等奖和国防科技进步二等奖，上海市科学技术一等奖，上海市科技进步二等奖。

应韬，上海交通大学材料科学与工程学院副研究员，全国镁合金青年工作委员会常务委员，Journal of magnesium and alloys、Corrosion communications青年编委。长期从事不锈镁合金成分设计与性能优化等研究。近年来承担了JKW基础加强课题，科技部稀土攻关专项子课题，科技部重点研发子课题，国家自然科学面上等多项重要项目。此外，在Nature Communication、Corrosion Science、Journal of power sources等高水平期刊发表论文22篇，累计他引937次，申请国家发明专利16项，其中国防专利4项，已授权10项。

王静雅，上海交通大学材料科学与工程学院副教授，中国科协“青年托举人才”。长期从事基于集成计算材料工程的高性能镁合金及镁基复合材料设计，高性能不锈镁合金研发。在国内外期刊发表论文总计33篇，包括在Acta Materialia, International Journal of Plasticity等高水平期刊以一作及通讯身份发表论文21篇，累积他引370次，申请国家发明专利2项，已授权1项。长期担任Acta Materialia、JMST、CALPHAD等高水平期刊审稿人。近年来主持了国家自然科学青年基金，博士后面上项目，上海市科委“探索者计划”、科技部稀土攻关专项子课题等，参与了国家自然科学基金重大科研仪器项目、国家重点研发计划等多项重要项目。