高性能鎂合金增材制造成形過程數值模擬,、顯微組織及力學性能與優(yōu)化研究

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

鎂合金在航空航天、軌道交通、新能源、生物醫(yī)用等領域具有廣闊應用前景,，增材制造技術(Additive Manufacturing)的發(fā)展為成形復雜結構的高性能鎂合金構件提供了可能。然而,，鎂合金熔沸點低,、蒸氣壓高、氧化性強的特點易使增材制造構件內部形成孔隙,、裂紋,、夾雜物等缺陷，導致增材制造鎂合金的應用水平遠遠落后于高溫合金,、鋁合金,、鈦合金等材料，開發(fā)適用于鎂合金的增材制造技術并通過材料改性與工藝優(yōu)化減少冶金缺陷是突破增材制造鎂合金應用瓶頸的關鍵,。鎂合金增材制造技術主要有激光選區(qū)熔化(Selective laser melting, SLM)、電弧增材制造(Wire arc additive manufacturing, WAAM)以及攪拌摩擦增材制造(Friction stir additive manufacturing, FSAM)和攪拌摩擦沉積增材(Additive friction stir deposition, AFSD),。通過歸納梳理鎂合金增材制造技術的研究現狀與技術進展,，總結了鎂合金在不同增材制造技術成形過程中的數值模擬研究結果，對比分析了不同增材制造技術關鍵工藝參數對鎂合金構件組織結構和力學性能的影響,，并對鎂合金增材制造技術未來的研究重點進行了展望,。論文原文下載見本文末

鎂合金密度低、比強度高,、綜合力學性能優(yōu)異,，同時具有良好的阻尼特性、儲氫能力和生物相容性,，在航空航天,、軌道交通、新能源,、生物醫(yī)用等領域的應用前景十分廣闊[1-5],。然而，鎂合金的化學性質十分活潑,，鑄造,、鍛造、焊接等傳統(tǒng)成形工藝難以獲得滿意的控形-控性效果，迫切需要從原料形態(tài),、成形原理,、構件結構與性能一體化設計的角度開發(fā)全新的先進制造技術。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟,，免費獲取海量增材資料,，聚焦增材制造研究與工程應用！

近年來,，增材制造技術(Additive manufacturing, AM)的快速發(fā)展為成形具有復雜結構的高性能鎂合金構件提供了可能,。AM 以激光、電子束或電弧等高能束為熱源,，以數字模型為基礎,，以粉材、絲材等為原料,，通過逐層堆疊的方式構造三維實體,，被認為是制造技術的一次革命性突破[6-10]。2010 年以來,，AM 在鎂合金構件設計與制造領域的應用水平愈發(fā)成熟,。目前，鎂合金增材制造技術主要有激光選區(qū)熔化(Selective laser melting, SLM)[11]和電弧增材制造(Wire arc additive manufacturing, WAAM)[12],，WAAM 技術包括熔化極氣體保護焊(Gas metal arc welding, GMAW)[13],、鎢極惰性氣體保護焊(Gas tungsten arc welding, GTAW)[14]、等離子弧焊(Plasma arc welding, PAW)[12]和冷金屬過渡弧焊(Cold metal transfer, CMT)[15],。

此外,，有學者對基于攪拌摩擦成形原理開發(fā)的攪拌摩擦增材制造技術(Friction stir additive manufacturing, FSAM)和攪拌摩擦沉積增材技術(Additive friction stir deposition, AFSD)進行了探索[16-17]。表 1 和圖 1 分別對比了鎂合金增材制造技術的工藝特點和成形后構件的實物圖,。根據原料在成形時是否發(fā)生熔化,，可將上述技術分為液相(SLM、WAAM)和固相(FSAM,、AFSD)兩類[18],，其中 SLM 的成形質量較好，WAAM 的成形效率較高,，應依據構件的尺寸和結構及對效率和成本的綜合要求選擇合適的成形技術,。

需要指出的是，鎂合金熔沸點低,、蒸氣壓高,、氧化性強的特點極易使增材制造構件內部形成孔隙、裂紋,、夾雜物等缺陷,，這給鎂合金增材制造構件的制備帶來了很大困難,。盡管鎂合金增材制造技術的研究成果逐年增多，但相比于高溫合金,、鋁合金,、鈦合金，鎂合金增材制造構件的研究水平較為滯后[28-31],。開發(fā)更適合鎂合金的增材制造技術并通過材料改性與工藝優(yōu)化來減少冶金缺陷是突破其應用瓶頸的關鍵,。基于此,，本文綜述鎂合金增材制造技術的研究現狀與發(fā)展趨勢,，總結不同增材制造技術在成形鎂合金時的數值模擬研究結果，分析相應工藝參數對鎂合金增材制造構件組織結構和力學性能的影響規(guī)律,，并對鎂合金增材制造技術未來的研究重點進行展望,。

1 鎂合金 SLM 增材制造技術

SLM 是 2000 年左右出現的一種新型增材制造技術，它利用高能激光熱源將金屬粉末完全融化后快速冷卻凝固成形,，從而得到高致密度,、高精度的金屬構件，其工作原理如圖 2 所示[32],。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟,，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用,！

1.1 SLM 成形過程的數值模擬
SLM 成形過程中,，鎂合金粉末發(fā)生熔化并迅速凝固(冷卻速率高達 10e4～10e5 K/s)，熔池的溫度梯度可達 103～105 K/cm,，難以實時監(jiān)控激光能量的傳遞與吸收,、熔池的動力學行為[33-34]。

1.2 SLM 鎂合金的微觀組織

現階段對于鎂合金 SLM 增材制造技術的研究比較全面,，按照合金元素的不同，主要的材料體系包括 Mg-Al-Zn(AZ 系列),、Mg-Zn-Zr(ZK 系列),、Mg-Y-RE(WE 系列)等商用牌號鎂合金以及 Mg-Ca、Mg-Zn-Dy,、Mg-Sn 等新型鎂合金[24, 37-48],。表 2 總結了 SLM 成形典型牌號鎂合金的組織結構特征。

1.3 SLM 鎂合金的力學性能

隨著技術水平的進步和工藝參數的優(yōu)化,，SLM鎂合金的致密度越來越接近 100%,，力學性能可以達到或超過鍛造態(tài)鎂合金。表 3 對比了 SLM 成形典型牌號鎂合金的力學性能,。

目前,，大多數 SLM 鎂合金的綜合力學性能均優(yōu)于相同成分的鑄態(tài)鎂合金，如何協(xié)同提高材料的強度、塑性,、韌性是今后的研究重點�,，F階段對 ZK 系列鎂合金和 AZ 系列鎂合金SLM 成形工藝的研究較為成熟。LIANG 等[46]研究指出,，SLM-ZK60 鎂合金在最佳工藝條件下的顯微硬度和屈服強度分別為 90 HV 和 172.59 MPa,，均高于鑄態(tài) ZK60 鎂合金。王金業(yè)等[39]對比了最佳 SLM工藝參數所得 AZ91 鎂合金與壓鑄態(tài) AZ91 鎂合金的力學性能(見表 4),，SLM 態(tài)鎂合金的力學性能明顯高于壓鑄態(tài) AZ91 鎂合金,，其平均抗拉強度和延伸率分別比壓鑄態(tài)提高了 38.09%和 138.67%。

1.4 SLM 鎂合金的性能優(yōu)化

為解決 SLM 鎂合金致密度較低,、易產生內部缺陷等問題,，常采用后處理方法來改善材料的微觀組織以提高其力學性能。常用的后處理方法主要有熱等靜壓(Hot isostatic pressing, HIP)和熱處理(Heat treatment, HT),。LIU 等[56]對 SLM-AZ61 鎂合金進行HIP 處理,，有效改善了其微觀組織和力學性能。

2 鎂合金 WAAM 增材制造技術

WAAM 又稱為電弧法熔絲沉積成形,，該技術以電弧或等離子弧作為熱源將金屬絲材熔化,，按照成形路徑逐層熔覆堆疊，根據三維數字模型由線-面-體制造出接近產品形狀和尺寸要求的三維金屬坯 體[59],，其工作原理如圖 7 所示[60],。與 GMAW、GTAW和 PAW 技術相比,，CMT 技術因熱輸入低,、工藝參數精確可控等優(yōu)點而成為鎂合金 WAAM 的主流技術[12-15]。

2.1 WAAM 成形過程的數值模擬

目前有關 WAAM 成形鎂合金的數值模擬研究較少,。何俊杰等[61]利用 FLUENT 軟件建立了鎂合金 CMT 成形時焊絲-熔滴-熔池的多相流模型,，研究了能量輸入及焊絲抽送運動對熔池形態(tài)的影響，結果如圖 8 所示,，在焊絲回抽的短路階段,，熔池被向上提拉并在焊絲端部形成液橋，內部熔體在馬蘭戈尼效應(Marangoni effect)的作用下由邊緣流向中間,、由下方流向上方,；當焊絲脫離熔池后，熔池受到液橋斷裂的反作用力,，熔體快速向后方流動而改變熔池形狀,，焊絲回抽過程中形成的馬蘭戈尼效應是影響熔池形態(tài)的主要因素。GRAF 等[62]利用 MSC. Marc 非線性有限元軟件預測了 CMT 過程中焊絲進給速度,、焊接路徑對 AZ31 鎂合金薄壁件溫度場的影響,，并通過實驗手段驗證了理論模型的可靠性,。

2.2 WAAM 鎂合金的微觀組織

受制于復雜的制備工藝和高昂的生產成本，鎂合金絲材的種類十分有限,，現有比較成熟的商業(yè)化鎂合金絲材主要是 AZ 系列,，因此 WAAM 采用的原材料以 AZ 系列鎂合金為主。表 5 總結了 WAAM 成形不同成分 AZ 系列鎂合金的組織結構特征,。

2.3 WAAM 鎂合金的力學性能
國內外學者針對WAAM技術制備的AZ系列鎂合金的力學性能開展了大量研究,。表 6 總結了WAAM 成形不同成分 AZ 系列鎂合金的力學性能。與 SLM 鎂合金相比,，WAAM 鎂合金能夠保持較高的力學強度,，同時表現出更高的斷裂延伸率。WAAM 鎂合金的力學性能具有明顯的各向異性,，WANG 等[67]研究了 CMT-AZ31 鎂合金橫向和縱向的拉伸性能,，發(fā)現沉積方向(TD)的屈服強度和抗拉強度分別為 85.4 MPa 和 225.7 MPa，而構建方向(BD)的屈服強度和抗拉強度分別為 125.9 MPa 和210.5 MPa,。同樣地,，在 AZ61、AZ80M,、AZ91,、AEX11 等成分中也發(fā)現了 WAAM 構件的力學性能具有各向異性現象[63-66]。

2.4 WAAM 鎂合金的性能優(yōu)化

僅僅通過調節(jié) WAAM 的工藝參數對材料力學性能的提升效果十分有限,，因此有必要采用合適的后處理工藝來進一步改善材料性能,。與 SLM 鎂合金類似，WAAM 鎂合金的后處理工藝也常采用熱處理和壓力加工等方法,。GUO 等[76]對比了沉積態(tài)(AD),、固溶處理(T4)、固溶+不完全時效處理(T5)以及固溶+時效處理(T6)對 WAAM-AZ80M 鎂合金組織和力學性能的影響,，結果見圖 11,，T4 處理后共晶組織溶解，合金元素的顯微偏析有所改善,；T5 處理后網狀β 相從共晶組織周圍析出,；T6 處理后細小的 β 相從基體中析出，分布于晶粒和晶界上,。T6 處理同時提高了材料的強度和塑性，消除了沿沉積方向和構建方向的各向異性,。

郭陽陽[77]研究了滾軋?zhí)幚韺�WAAM-AZ80M 鎂合金微觀組織和力學性能的影響,，發(fā)現滾軋?zhí)幚砜擅黠@減少材料內部第二相的含量和尺寸，細化晶粒并弱化織構,，未經滾軋試樣的組織為粗大的等軸晶,，平均晶粒尺寸為 56 μm,；而經 2 kN 和 4 kN 軋制力滾軋?zhí)幚砗螅�試樣的平均晶粒尺寸分別為 40 μm 和 35 μm,，材料的強度和塑性隨滾軋壓力的增大而逐漸提高,。此外，攪拌摩擦處理也能改善 CMT 鎂合金的表面質量,，可消除焊道搭接與基板的界面處孔洞,，進一步細化晶粒而降低服役時的斷裂風險，這驗證了 CMT 與攪拌摩擦處理復合制造高性能鎂合金的可行性[78],。

3 鎂合金攪拌摩擦增材制造技術

近年來,，研究人員基于攪拌摩擦成形原理開發(fā)了 FSAM 和 AFSD 兩種新型固相焊接技術，它們的工作原理如圖 12 所示[79],。

3.1 攪拌摩擦成形過程的數值模擬

現階段有關鎂合金 FSAM 增材制造技術的研究逐漸增多,，國內外學者根據數值模擬結果對工藝參數進行了優(yōu)化，同時研究了 FSAM 鎂合金的微觀組織和力學性能,。李如琦等[85]建立了 FSAM成形多層 AZ31 鎂合金薄板的計算流體力學模型,，研究了攪拌頭轉速和板材層數對焊材流變行為、溫度場以及應變率的影響,，結果如圖 13 所示,，攪拌區(qū)焊材的應變率和再結晶晶粒尺寸隨攪拌頭轉速的提高而增大，攪拌區(qū)晶粒尺寸隨板材層數的增加而減小,。

3.2 攪拌摩擦成形鎂合金的組織與性能

攪拌摩擦增材制造構件的成形質量與原料類型密切相關,，由于商用牌號鎂合金的制備工藝成熟、可穩(wěn)定地生產粉材,、絲材,、板材等多種形式，因此攪拌摩擦成形的鎂合金以商業(yè)牌號為主,，包括 AZ系列和 WE 系列鎂合金,。表 7 總結了攪拌摩擦成形鎂合金的組織特征與力學性能。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟,，免費獲取海量增材資料,，聚焦增材制造研究與工程應用！

4 結論與展望

(1) 隨著增材制造鎂合金在航空航天,、軌道交通,、新能源、生物醫(yī)用等領域的應用范圍不斷擴大,，傳統(tǒng)基于粉末冶金工藝開發(fā)的商用牌號鎂合金粉末無法很好滿足增材制造技術的特殊要求,，迫切需要開發(fā)增材制造專用的具有特定成分、形貌和粒度的鎂合金粉末體系,，同時完善原材料的評價方法,。

(2) 增材制造技術直接制備的鎂合金構件往往存在一定的孔隙,、裂紋、夾雜物等缺陷,，有必要開發(fā)適當的后處理工藝,，通過表面改性、熱加工變形等方法改善構件的組織結構來提高其綜合力學性能,，以適應更加嚴苛的使用條件,。

(3) 現階段對于增材制造鎂合金服役性能的研究主要集中在力學性能，考慮到構件在實際服役過程中可能同時受到載荷與腐蝕的耦合作用,，后續(xù)應加強對構件腐蝕行為,、應力腐蝕行為、腐蝕疲勞行為的研究,，以應對不同的服役工況,。