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，表明對其鎂基合金的需求不斷增長,。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”帶來的新型物理結(jié)構(gòu)提供了新的前景,。在此,，澳大利亞國立大學(xué)、新加坡制造技術(shù)研究所,、中國湖南大學(xué),、美國麻省理工學(xué)院等六所國內(nèi)外頂級研究機構(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%。鎂合金的高比強度使其成為汽車,、消費電子和航空航天應(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,，它們增強新陳代謝并介導(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）在材料界越來越受到關(guān)注，因為AM使傳統(tǒng)制造無法實現(xiàn)的設(shè)計能力,，并且可能還有迄今為止未知的材料性能,。增材制造具有幾個獨特的優(yōu)勢，例如設(shè)計自由度（和拓?fù)鋬?yōu)化）、最小的資源浪費和更少的能源使用,。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發(fā)精確的幾何特征成為可能（參見圖1中的復(fù)雜晶格幾何形狀）,。設(shè)計自由度使人們能夠通過拓?fù)鋬?yōu)化和使用自由空間作為設(shè)計變量,，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，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)有望滿足骨科和血管外科對高性能可生物降解植入物的高需求，并使制造患者專用和拓?fù)鋬?yōu)化的植入物在技術(shù)上可行,。此外,，對工藝參數(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,，這些研究報告使用各種AM技術(shù)成功生產(chǎn)了具有增強性能的新型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)和處理的其他問題外，還引起了健康和安全問題,。然而,，正如自2010年以來的研究成果（圖2）所指出的那樣，LPBF過程中的風(fēng)險控制已經(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,。防護措施包括（1）在防火安全儲罐中處理/儲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機器的過濾器和處理室，包括去除靜電放電等所有潛在的點火原因;（4）在增材制造之前和期間控制反應(yīng)氣體,。除了安全問題外，另一個限制LPBF-Mg合金發(fā)展的問題是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)中仍在爭論中,，但我們?nèi)匀唤邮芩鼈冊谝话阋饬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,。澳大利亞國立大學(xué)、新加坡制造技術(shù)研究所,、中國湖南大學(xué),、美國麻省理工學(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��,，將討論AM-Mg面臨的一些挑戰(zhàn)，并提供未來的展望,。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,，顯而易見的是,，增材制造 Mg合金的前景是巨大的，并且實現(xiàn)本文引言中提出的機會的潛力都是可能的（凈形狀,，多樣化的合金成分,，復(fù)雜的設(shè)計，定制等）,。然而,，這篇綜述也非常清楚地表明,，仍然存在許多開放的研究問題，并且到目前為止還沒有（單一或社區(qū)）嘗試回答這些問題,。這種懸而未決的問題的一個例子是增材制造 Mg合金的延展性是否受到位錯密度或殘余應(yīng)力的不利影響,？在AM鎂合金中是否對位錯密度進(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.時間軸顯示了基于粉末的AM-Mg研究和開發(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） 迄今為止報告的 LPBF-Mg 合金能量輸入密度函數(shù)的相對密度和（c）相對密度高（≥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,，等軸和隨機取向的晶粒，（b）最后一個熔池中的細(xì)粒,，等軸和隨機取向的晶粒及其周圍的大,，不規(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.通過毛細(xì)管介導(dǎo)的橋接對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,。顯而易見的是，現(xiàn)在已經(jīng)有來自完全獨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,，令人滿意的強度,，盡管延展性有限;WAAM表現(xiàn)出中等強度，但具有可觀的延展性;FSAM也表現(xiàn)出中等強度,，也具有可觀的延展性,。