上海交通大學(xué)曾小勤教授團(tuán)隊(duì)：增材制造鎂合金的研究現(xiàn)狀與展望

來(lái)源： 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)

鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,，具有諸多優(yōu)異的特性，例如優(yōu)良的比強(qiáng)度與比剛度,、優(yōu)異的阻尼性能、熱穩(wěn)定性和抗電磁輻射性能等,，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空,、航天、汽車,、電子通訊等領(lǐng)域,。隨著工業(yè)界對(duì)產(chǎn)品綜合性能要求的進(jìn)一步提升，流道,、拓?fù)涞雀�加輕量化的零件設(shè)計(jì)理念開(kāi)始嶄露頭角,。然而目前鎂合金的成形方式依然主要采用傳統(tǒng)的鑄造、粉末冶金和塑性成形等,，這些傳統(tǒng)的加工工藝難以對(duì)一體化構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)行加工,，無(wú)法在部件內(nèi)部構(gòu)建精細(xì)流道結(jié)構(gòu)或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，限制鎂合金發(fā)揮輕量化的優(yōu)勢(shì)與復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成型的潛力,。

增材制造技術(shù)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),、材料加工與成形技術(shù)、數(shù)燒結(jié),、熔融,、光固化、噴射等方式逐層堆積從而獲得實(shí)體物品的制造技術(shù),。該方法具有無(wú)需模具,、快速響應(yīng)、材料利用率高、可成形任意復(fù)雜構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn),，這使得過(guò)去受到傳統(tǒng)制備方式約束而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造變?yōu)榭赡�,。近年�?lái)，針對(duì)鎂合金的增材制造相關(guān)研究也逐步展開(kāi),，以期突破傳統(tǒng)鎂合金制備工藝對(duì)鎂合金發(fā)揮輕量化優(yōu)勢(shì)的限制,。

選取鎂合金增材制造中研究較為成熟的 SLM技術(shù)與 WAAM技術(shù)，綜述其研究現(xiàn)狀,，分析這兩種增材制造工藝的核心參數(shù)及其對(duì)材料成形質(zhì)量,、微觀組織、以及服役性能的影響,，目前取得的研究成果,、進(jìn)展以及每種工藝的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)，并對(duì)其未來(lái)研究方向進(jìn)行展望,。

WAAM增材制造無(wú)需開(kāi)模,，柔性化程度高，整體制造周期短,，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化,、智能化制造，制造設(shè)備要求低,，對(duì)設(shè)計(jì)的響應(yīng)快,，適合于多品種產(chǎn)品制造，依靠電弧增材制造工藝可將制造時(shí)間和后加工時(shí)間分別減少 40%–60%和 15%–20%,，通過(guò)合理過(guò)程控制可以制造具有優(yōu)良力學(xué)性能的鎂合金,。鎂合金 WAAM增材相關(guān)研究目前集中在調(diào)控快速凝固過(guò)程中晶粒細(xì)化與熱影響區(qū)長(zhǎng)大的研究上。利用脈沖電流破碎熔池等方法形成細(xì)小的晶粒有助于鎂合金強(qiáng)韌性的提高,，減少增材過(guò)程中由于熱影響區(qū)導(dǎo)致的柱狀晶,，提高了WAAM鎂合金力學(xué)性能的各向同性，如圖1所示,。

圖1  不同脈沖頻率下沉積樣品的微觀結(jié)構(gòu)：(a) 500Hz; (b) 100Hz; (c) 10Hz; (d) 5Hz; (e) 2Hz; (f) 1Hz

SLM工藝成形精度更高,，表面平整度更好，具有更高的熔體凝固速度,，有利于形成細(xì)小晶粒,，從而提高成形樣件的綜合力學(xué)性能，適合作為高精度,，高訂制化的零部件,，不僅廣泛用于公共醫(yī)療領(lǐng)域，用于定制可降解的植入體,，也常被用來(lái)定制航天領(lǐng)域的精細(xì)部件,。鎂合金粉末的形狀和尺寸對(duì) SLM過(guò)程中鋪粉流動(dòng)性和激光反射的過(guò)程起著重要作用,，加入高激光吸收率的材料（如碳納米管、石墨烯）可以有效提高鎂合金粉末對(duì)激光的吸收率,。SLM工藝參數(shù)會(huì)影響成型樣件的孔隙率,、微觀結(jié)構(gòu)和綜合性能。在SLM成型過(guò)程中,，不僅要考慮激光功率,、掃描速度、掃描間距,，層厚分別帶來(lái)的影響,，也要平衡各參數(shù)，使得能量輸入密度在合理的區(qū)間內(nèi),。表1給出了部分SLM鎂合金使用的加工參數(shù),。

表1 部分SLM鎂合金與鎂基復(fù)合材料SLM增材制造加工參數(shù)

研究結(jié)論
鎂合金增材制造優(yōu)勢(shì)突出，前景廣闊,。但同時(shí)很多問(wèn)題制約鎂合金增材制造工藝的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展：

（1）基礎(chǔ)研究理論匱乏,，缺乏鎂合金打印過(guò)程中能量輸入的調(diào)控模型，如過(guò)熱熔體反沖壓形成的飛濺,；以及快冷過(guò)程中微觀組織演化的理論研究,；
（2）鎂合金增材制造經(jīng)驗(yàn)相對(duì)匱乏，經(jīng)常存在一定的缺陷,，如熱裂紋,、氣孔等，需要針對(duì)鎂合金開(kāi)發(fā)專門的SLM成型工藝,；
（3）目前尚無(wú)適用于增材制造的專用鎂合金原材料，亟需開(kāi)發(fā)適合增材制造加工的鎂合金成分體系,。

團(tuán)隊(duì)介紹
曾小勤,，國(guó)家杰青，上海交通大學(xué)科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究院院長(zhǎng),，材料科學(xué)與工程學(xué)院特聘教授,，上海鎂材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心主任、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)理事/青年工作委員會(huì)副主任,。長(zhǎng)期開(kāi)展先進(jìn)鎂合金強(qiáng)韌化理論,、不銹鎂合金設(shè)計(jì)和材料因工程等研究。主持多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金,、科技部支撐計(jì)劃,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。入選教育部“新世紀(jì)人才”和上海市“曙光學(xué)者”,、“科技啟明星”計(jì)劃,。先后發(fā)表SCI收錄論文270余篇，累計(jì)他引3479 次，單篇最高他引351次,。參與撰寫專著2本,，申請(qǐng)發(fā)明專利120余項(xiàng)，授權(quán)國(guó)內(nèi)專利60余項(xiàng),，美國(guó)專利1項(xiàng),。曾獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng),，教育部技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)和國(guó)防科技進(jìn)步二等獎(jiǎng),，上海市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，上海市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng),。

應(yīng)韜,，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副研究員，全國(guó)鎂合金青年工作委員會(huì)常務(wù)委員,，Journal of magnesium and alloys,、Corrosion communications青年編委。長(zhǎng)期從事不銹鎂合金成分設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化等研究,。近年來(lái)承擔(dān)了JKW基礎(chǔ)加強(qiáng)課題,，科技部稀土攻關(guān)專項(xiàng)子課題，科技部重點(diǎn)研發(fā)子課題,，國(guó)家自然科學(xué)面上等多項(xiàng)重要項(xiàng)目,。此外，在Nature Communication,、Corrosion Science,、Journal of power sources等高水平期刊發(fā)表論文22篇，累計(jì)他引937次,，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利16項(xiàng),，其中國(guó)防專利4項(xiàng)，已授權(quán)10項(xiàng),。

王靜雅,，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，中國(guó)科協(xié)“青年托舉人才”,。長(zhǎng)期從事基于集成計(jì)算材料工程的高性能鎂合金及鎂基復(fù)合材料設(shè)計(jì),，高性能不銹鎂合金研發(fā)。在國(guó)內(nèi)外期刊發(fā)表論文總計(jì)33篇,，包括在Acta Materialia, International Journal of Plasticity等高水平期刊以一作及通訊身份發(fā)表論文21篇,，累積他引370次，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利2項(xiàng),，已授權(quán)1項(xiàng),。長(zhǎng)期擔(dān)任Acta Materialia,、JMST、CALPHAD等高水平期刊審稿人,。近年來(lái)主持了國(guó)家自然科學(xué)青年基金,，博士后面上項(xiàng)目，上海市科委“探索者計(jì)劃”,、科技部稀土攻關(guān)專項(xiàng)子課題等,，參與了國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多項(xiàng)重要項(xiàng)目,。