上海交通大学彭立明教授团队：增材制造新进展，镁合金三维成形空间及异常层状显微结构

来源：特种铸造

通过优化工艺参数，成功制备出高性能的LPBF-10K合金，并深入探究了其成形性、微观结构和力学性能。首次系统地构建了以激光束直径、激光功率和扫描速度为变量的三维成形空间，为LPBF工艺参数的优化提供了新的维度，填补了Mg-RE合金LPBF微观结构研究的空白，为航空航天、汽车等领域复杂构件的轻量化设计和制造提供了新的材料选择。

镁合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、汽车等轻量化需求迫切的领域具有广阔的应用前景。然而，传统加工方法难以制造复杂结构（如卫星支架）。激光粉末床熔融（LPBF）作为最广泛研究的金属增材制造（AM）技术之一，因其高制造精度和由于快速凝固而产生的优异部件力学性能而闻名，其可通过逐层堆积实现复杂构件的近净成形。镁稀土（Mg-RE）合金因显著的沉淀硬化效应而具备高强度，但高稀土含量的Mg-RE合金在LPBF过程中易产生应力开裂，限制其工程应用。

由于镁合金的激光吸收率低、蒸发热和沸点低，LPBF镁合金容易产生气孔和未熔合（LoF）等缺陷。Mg-10Gd-Zr（G10K）合金稀土含量较低，在LPBF过程中表现出良好的抗裂性，但其在不同工艺参数下成形性、微观结构特征及力学性能仍需系统研究。

为了应对这些挑战并充分发挥G10K合金在LPBF应用中的潜力，上海交通大学彭立明教授团队对LPBF制造的G10K合金的成形缺陷、微观结构特征和力学性能进行了系统深入的研究，详细讨论了激光束直径对成形区域的影响、异常层状微观结构的形成过程及其对变形行为的影响。相关工作以题为“ 3D forming space and abnormal lamellar microstructures in a Mg-10Gd-Zr alloy fabricated by laser powder bed fusion”发表于期刊《Journal of Magnesium and Alloys》。


结果表明，激光束直径对成形缺陷的影响显著。激光束直径为120 m时，熔池波动最小，气孔和球化缺陷得到抑制，从而扩大了合金的成形区域。在激光功率为200 、扫描速度为600 m/s的条件下，LPBF-G10K合金实现了99.6%的相对密度、210.3MPa的屈服强度、284.5MPa的抗拉强度和8.9%的伸长率，兼顾了高成形性和力学性能。


在LPBF-G10K合金的凝固微观结构中，较高的体积能量密度（VED）促进等轴晶粒的形成，而较低的VED则对应于层状晶粒的形成。在具有适中VED的最优工艺参数下，柱状晶粒在熔池边界处呈外延生长，等轴晶粒在熔池顶部形成，而层状晶粒则沿熔池轨道的激光扫描方向在熔池中部平面生长，从而形成了LPBF-G10K合金中的异常微观结构。



塑性变形主要由等轴晶粒通过基面滑移和扩展孪晶来承担，而由于其基面织构，层状晶粒的变形能力较差。LPBF-G10K合金的强度主要来源于残余应力、过饱和基体、纳米级第二相颗粒和层状晶粒中的基面织构。