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镁科研

镁科研前沿动态：镁合金增材制造的最新进展

发布时间：2023-01-11 作者：综合管理部


 导读：镁合金在轻量化和先进设备的背景下仍然至关重要。镁（Mg）的利用率逐年增加，表明对其镁基合金的需求不断增长。增材制造（AM）提供了直接制造网形组件的可能性，为使用镁合金提供了新的可能性和应用，并为利用“3D打印”带来的新型物理结构提供了新的前景。


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  发现

六校联合发表镁合金增材制造顶刊

迄今为止，>95%的镁合金产品是通过铸造（包括压力压铸）生产的，而锻造镁合金的应用有限，主要是由于在室温下成型性和加工性不足。镁合金的增材制造（AM）在材料界越来越受到关注，因为AM使传统制造无法实现的设计能力，并且可能还有迄今为止未知的材料性能。增材制造具有几个独特的优势，例如设计自由度（和拓扑优化）、最小的资源浪费和更少的能源使用。此外，AM克服了传统（形成性或减法）制造路线的局限性。高精度生产复杂内部和外部几何形状的能力使开发精确的几何特征成为可能。设计自由度使人们能够通过拓扑优化和使用自由空间作为设计变量，使最轻的工程金属更轻。
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此外，如果用作生物材料，具有大表面积的组分将促进细胞生长，增殖和骨再生；或者如果用作Mg电极，则提供显着的反应区域。AM-Mg技术有望满足骨科和血管外科对高性能可生物降解植入物的高需求，并使制造患者专用和拓扑优化的植入物在技术上可行。此外，对工艺参数的精确控制可以生产出具有定制微观结构和性能的合金。最近的研究已经证明了这一点，这些研究报告使用各种AM技术成功生产了具有增强性能的新型Al，Fe和Ti基合金。

然而，迄今为止，AM-Mg合金领域的研究一直受到限制。这可能部分是由于镁（在大气条件下）的反应性质，除了有关镁粉的氧化，蒸发和处理的其他问题外，还引起了健康和安全问题。然而，正如自2010年以来的研究成果所指出的那样，LPBF过程中的风险控制已经显示出巨大的成功，允许基于Mg粉末的添加剂方法被常规和可重复地用于安全地制造不同成分的Mg合金。

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时间轴显示了基于粉末的AM-Mg研究和开发的历史背景

除了基于激光粉末的增材制造外，还探索了各种增材制造方法，包括烧结，线弧增材制造（WAAM），搅拌摩擦加工和喷墨方法。尽管这些不同的方法是否可以被视为“增材制造”在社区中仍在争论中，但仍然接受它们在一般意义上遵循“增材制造”策略，因此将它们纳入综述。鉴于增材制造技术已经得到了Debroy等人的好评。澳大利亚国立大学、新加坡制造技术研究所、中国湖南大学、美国麻省理工学院等在综述中将仅关注增材制造Mg（而不是一般的AM技术），该技术呈现了与其他AM合金系统（如Al，Ti和钢）的许多独特特性。该综述旨在AM-Mg的最新进展，系统地研究和批判性地分析迄今为止报告的结果；并允许揭示控制AM-Mg微观结构和性质的关键因素。总而言之，将讨论AM-Mg面临的一些挑战，并提供未来的展望。
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上海交大吴国华教授团队：

电弧增材制造镁稀土合金

近日，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心吴国华教授团队在镁稀土合金电弧增材制造方面取得重要研究进展。

在该研究中，吴国华教授团队创新地采用了电弧熔丝增材制造（WAAM）技术实现了Mg-4Y-3RE-0.5Zr合金的制备，并首次报道了电弧熔丝增材镁稀土合金的组织不均匀性及其形成机制。研究表明，由于交流电弧独特的阴极清理效应以及合金丝材较低的比表面积，WAAM工艺所制备的镁稀土合金中并未发现明显的氧化夹杂缺陷。另一方面，相比较于LPBF工艺而言，WAAM较大的热输入使得熔池的冷却速度较小，能有效降低合金凝固时的收缩应力，抑制裂纹萌生。

该研究通过对沉积层不同高度的显微组织进行表征，揭示了Mg-Y-RE-Zr合金在电弧熔丝增材制造过程中的组织演变机制。实验结果表明，随着沉积高度的不断提高，沉积层的冷却速度逐渐降低，导致了沉积层晶粒尺寸沿高度方向逐渐粗化。此外，电弧加热导致的多重热循环会对已沉积层形成“原位固溶”和“原位时效”的效果。沉积层底部的共晶组织在多重热循环的作用下首先发生溶解，随后稀土元素又在多重热循环的作用下下沉淀析出，在晶界和晶内形成了弥散分布的β’和β1相。沉积层顶端组织主要由粗大的α-Mg枝晶和连续粗大的共晶组织组成，并未发现稀土沉淀相的存在。由于WAAM工艺制备的Mg-Y-RE-Zr合金中存在明显的组织不均匀性，其在沉积高度方向上的力学性能也存在显著差异。该研究首次报道了镁稀土合金电弧熔丝增材的相关研究，为高性能镁稀土合金的增材制造技术开辟了新视野。

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