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六校聯(lián)合鎂合金頂刊綜述：鎂合金增材制造的最新進(jìn)展與展望

2022-06-29 17:07:47 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

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(duì)其鎂基合金的需求不斷增長(zhǎng)。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(lái)的新型物理結(jié)構(gòu)提供了新的前景。

澳大利亞國(guó)立大學(xué)、新加坡制造技術(shù)研究所、中國(guó)湖南大學(xué)、美國(guó)麻省理工學(xué)院等六所國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在綜述論文中全面探索了鎂合金增材制造，包括所用工藝和測(cè)量性能（與常規(guī)制備的鎂合金進(jìn)行比較），增材制造鎂合金的挑戰(zhàn)和可能性在機(jī)械冶金領(lǐng)域得到了批判性的闡述。

本期谷.專欄將分享這一綜述論文所探討的主要內(nèi)容。

▲論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956722000688#fig0011Recent

鎂合金增材制造的應(yīng)用價(jià)值限制以及突破

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(qiáng)度使其成為汽車、消費(fèi)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?cè)鰪?qiáng)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(guò)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(lái)越受到關(guān)注，因?yàn)樵霾闹圃焓箓鹘y(tǒng)制造無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)能力，并且可能還有迄今未知的材料性能。增材制造具有幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如設(shè)計(jì)自由度（和拓?fù)鋬?yōu)化）、最小的資源浪費(fèi)和更少的能源使用。此外，增材制造克服了傳統(tǒng)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(kāi)發(fā)精確的幾何特征成為可能（參見(jiàn)圖1中的復(fù)雜晶格幾何形狀）。設(shè)計(jì)自由度使人們能夠通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化和使用自由空間作為設(shè)計(jì)變量，使最輕的工程金屬更輕。

圖 1. 激光粉末床熔化增材制造設(shè)備制備的：“Mg”形狀的晶格結(jié)構(gòu)，材料為Mg合金WE43（圖片由Meotec GmbH和Dr.M. Esmaily提供）。

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(zhǎng)，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。鎂合金增材制造技術(shù)有望滿足骨科和血管外科對(duì)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。對(duì)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(diǎn)，這些研究報(bào)告使用各種增材制造技術(shù)成功生產(chǎn)了具有增強(qiáng)性能的新型Al，F(xiàn)e和Ti基合金。

3D科學(xué)谷

迄今為止，增材制造鎂合金領(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(wèn)題外，還引起了健康和安全問(wèn)題。

然而，正如自2010年以來(lái)的研究成果（圖2）所示，激光粉末床熔化（LPBF）增材制造過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)控制已經(jīng)顯示出顯著的進(jìn)步，可安全地制造不同成分的鎂合金。

圖 2. 時(shí)間軸顯示了鎂金屬粉末增材制造研究和開(kāi)發(fā)的歷史背景，揭示了鎂/鎂合金增材制造科學(xué)研究的里程碑。

需要采取的防護(hù)措施包括：（1）在防火安全儲(chǔ)罐中處理/儲(chǔ)存鎂合金粉末并適量;（2）對(duì)可能需要采取控制措施的人員培訓(xùn)進(jìn)行培訓(xùn);（3）準(zhǔn)備和清潔LPBF 增材制造設(shè)備的過(guò)濾器和處理室，包括去除靜電放電等所有潛在的點(diǎn)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(wèn)題外，另一個(gè)限制激光粉末床熔化鎂合金增材制造發(fā)展的問(wèn)題是Mg粉末的質(zhì)量一致性。Mg粉末的性質(zhì)不斷變化，因此制造人員難以找到固定的LPBF 3D打印參數(shù)。

除了基于激光粉末的增材制造外，增材制造界還探索了多種鎂合金增材制造方法，包括基于粘結(jié)劑噴射/材料擠出工藝的間接金屬增材制造技術(shù)，線弧增材制造（WAAM）技術(shù)，攪拌摩擦加工和噴墨方法。盡管其中有的方法是否可以被視為“增材制造” 仍存在爭(zhēng)議，但本綜述研究團(tuán)隊(duì)仍然接受這些技術(shù)在一般意義上遵循“增材制造”策略，因此在研究中也將這些技術(shù)納入了綜述。

根據(jù)本綜述論文的報(bào)道，盡管目前業(yè)界已經(jīng)發(fā)表了關(guān)于鎂增材制造的綜合綜述，但鎂合金增材制造中的成分 -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(gè)主要原因是增材制造鎂合金的微觀結(jié)構(gòu) - 性能關(guān)系的結(jié)果在不同的報(bào)告中揭示了一些差異。本綜述目的是總結(jié)增材制造鎂合金的最新進(jìn)展，系統(tǒng)地研究和批判性地分析迄今為止報(bào)告的結(jié)果；并揭示控制增材制造鎂合金微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)鍵因素；討論鎂合金增材制造面臨的一些挑戰(zhàn)，并提供未來(lái)的展望。

本綜述論文指出，在眾多增材制造技術(shù)路線中，實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用將與生產(chǎn)路線的選擇相關(guān)。例如，除激光粉末床熔化增材制造工藝以外，大多數(shù)增材制造鎂合金制造技術(shù)不適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。相反，基于激光粉末床熔化工藝的鎂合金增材制造在尺寸上受到了限制。

綜述論文指出，增材制造鎂合金的前景是巨大的，但目前仍然存在許多有待研究的問(wèn)題。其中一個(gè)例子，是增材制造鎂合金的延展性是否受到位錯(cuò)密度或殘余應(yīng)力的不利影響？是否對(duì)增材制造鎂合金的位錯(cuò)密度進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难芯浚约叭绾闻c其他六方合金（如鈦合金）相比性能？在總是發(fā)生一些蒸發(fā)的情況下，激光粉末床熔化增材制造鎂合金的凝固將是怎樣的？

激光粉末床熔化鎂合金增材制造技術(shù)

l LPBF 鎂合金增材制造的特點(diǎn)

綜述論文談到了激光粉末床熔化工藝中鎂合金存在的較低蒸發(fā)溫度問(wèn)題，Mg 的蒸發(fā)點(diǎn)為 1091°C，而 Al 和 Ti 的蒸發(fā)點(diǎn)分別為 2470°C 和 3287°C，并談到了鎂合金的這一特點(diǎn)對(duì)工藝參數(shù)的影響。

圖 4. 鎂的蒸發(fā)速率和各種溫度下AZ91D熔池中的合金元素比（分別為Al、Zn和Mn的蒸發(fā)速率）。

除了蒸發(fā)之外，孔隙度也是所有激光粉末床熔化增材制造金屬材料所需要考慮的共同問(wèn)題。綜述論文總結(jié)了，工藝參數(shù)對(duì)鎂合金孔隙率的影響。

圖 5.（a）加工窗口和相關(guān)缺陷的示意圖，（b）迄今為止報(bào)告的 LPBF增材制造鎂合金能量輸入密度函數(shù)的相對(duì)密度和（c）相對(duì)密度高（≥99%）的樣本。

孔隙是不可避免的，因此一定程度的孔隙是可以接受的，但必須避免熱撕裂和裂紋。

l LPBF 鎂合金材料系統(tǒng)

與鑄造和鍛造合金相比，增材制造鎂合金的牌號(hào)要少的多。主要原因是增材制造霧化預(yù)合金粉末的材料成本明顯高出鑄造或鍛造合金成本。目前，用于增材制造的商業(yè)化鎂金屬粉末材料包括純鎂、AZ91 和 WE43，這些材料具有較大的市場(chǎng)需求，更好的可打印性以及結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的性能。

純鎂材料

綜述論文談到，重慶大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道過(guò)由 LPBF 生產(chǎn)的第一個(gè)塊狀純鎂，該研究使用了兩種不同尺寸（26 和 43 ?m）的球形粉末。材料由唐山威豪鎂粉有限公司提供，該公司為中國(guó)的 LPBF 研究提供了大部分粉末。

圖 6.LPBF中純Mg的工藝窗口。

鎂鋁基合金材料

綜述論文還探究了學(xué)術(shù)界對(duì)于 LPBF 鎂鋁基合金 AZ31 低孔隙率水平的研究，有的研究中，達(dá)到了低孔隙率水平 (<0.5%) 。AZ61和AZ91 兩種鎂鋁基增材制造鎂合金中也實(shí)現(xiàn)了如此低的孔隙率水平，證明了Mg-Al 鎂鋁基合金的可接受的“可打印性”。

圖 7.LPBF-AZ91合金的EBSD方向圖和SEM圖像

鎂稀土基合金

在鎂稀土基合金Mg-RE系統(tǒng)中，WE43合金的增材制造在生物醫(yī)學(xué)植入物應(yīng)用中得到了最廣泛的研究。如前所述，WE43合金具有良好的打印適性，與AZ91合金相比，它具有更大的加工窗口來(lái)實(shí)現(xiàn)低孔隙率。此外，WE43具有生物相容性，在可生物降解的植入物（如支架）方面引起了更多關(guān)注。

鎂鋅基合金

與Mg-Al和Mg-RE合金相比，盡管鋅具有生物相容性，但Mg-Zn基合金受到的關(guān)注要少得多。最重要的原因是鎂鋅基合金Mg-Zn合金的“可打印性”比 Mg-Al和Mg-RE合金差得多，因?yàn)镸g-Zn的共晶溫度低得多，約為 325°C，因此凝固范圍大。只有當(dāng)鋅濃度非常低（例如 ≤1 wt.%）或非常高（例如 ≥12 wt.%）時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)可接受的低孔隙率。

除了以上談到的Mg-Al、Mg-RE和Mg-Zn 基合金外，綜述論文還研究了 Mg-Ca（預(yù)合金粉末）和 Mg-Sn 基合金（混合粉末）。預(yù)計(jì)這些材料比 Mg-Zn 合金具有更好的“可打印性”，因?yàn)樗鼈兌季哂?Mg-Zn合金更高的共晶溫度（Mg-Ca 為 510°C，Mg-Sn 為 466°C）和更窄的凝固范圍。步結(jié)果看起來(lái)兩種合金都顯示出精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，但仍需要提供更全面的研究來(lái)了解凝固行為、微觀結(jié)構(gòu)演變以及機(jī)械和電化學(xué)性能。

圖 9.（a）激光增材制造的鎂合金相對(duì)于鑄造合金和鍛造（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. Mg-Zn-Zr 粉末粘結(jié)劑噴射3D打印（a）層厚為100μm且溶液飽和度為70的3D打印生胚樣件，（b）生胚中的固體顆粒間橋，使Mg粉末顆粒的快速形成3D成為可能（c）Mg-Zn-Zr 3D打印生胚和已燒結(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。

綜述論文還探討了LPBF增材制造鎂合金的性能，包括拉伸性能、電化學(xué)耐久性、生物相容性。并在接下來(lái)探討了，粘結(jié)劑噴射/材料擠出鎂合金間接金屬3D打印等其他增材制造技術(shù)。

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