鎂合金3D打?。航饘贅?gòu)件輕量化發(fā)展的“未來之光”

航空航天、武器裝備等重要領(lǐng)域?qū)p量化材料的需求日益迫切，鎂合金作為質(zhì)量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料逐漸受到廣泛關(guān)注，鎂合金的增材制造也開始受到材料界越來越多的重視。

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，密度僅為 1.74 g/cm3，約為鋁合金的 2/3、鋅合金的 1/3、鋼鐵的1/4、鈦合金的 2/5，與多數(shù)工程塑料相當。不僅如此，鎂合金還具有諸多優(yōu)異的特性，例如優(yōu)良的比強度與比剛度、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)被廣泛應用于航空、航天、汽車、電子通訊等領(lǐng)域。

隨著工業(yè)界對產(chǎn)品綜合性能要求的進一步提升，流道、拓撲等更加輕量化的零件設計理念開始嶄露頭角。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)的加工工藝難以對一體化構(gòu)件內(nèi)部進行加工，無法在部件內(nèi)部構(gòu)建精細流道結(jié)構(gòu)或拓撲結(jié)構(gòu)，限制鎂合金發(fā)揮輕量化的優(yōu)勢與復雜結(jié)構(gòu)件成型的潛力。在此情況下，增材制造突破了傳統(tǒng)制造的限制，具有高精度、高設計自由度、高利用率與節(jié)能等特點。通過對工藝參數(shù)的設計，可以調(diào)控合金微觀結(jié)構(gòu)和性能，最大化實現(xiàn)合金材料的形性協(xié)同設計能力，凈成形制備出傳統(tǒng)制造無法實現(xiàn)的復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，擴大鎂合金在生物醫(yī)用、汽車、消費電子等領(lǐng)域的應用。

△激光粉末床熔融技術(shù)制備的“Mg”形狀的點陣結(jié)構(gòu)（由鎂合金WE43制成）

3D打印技術(shù)已廣泛用于制造不銹鋼、鈦合金、鋁合金等復雜樣件，并成功用于發(fā)動機機匣，散熱管道，減重結(jié)構(gòu)件等。近年來，隨著對鎂合金在加工過程中易燃性的了解不斷增加，針對鎂合金的增材制造相關(guān)研究也逐步展開，以期突破傳統(tǒng)鎂合金制備工藝對鎂合金發(fā)揮輕量化優(yōu)勢的限制。目前研究人員已經(jīng)成功利用選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)、電弧熔絲沉積技術(shù)（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）技術(shù)、攪拌摩擦增材技術(shù)（Friction Stir Additive Manufacturing， FSAM）技術(shù)、激光熔化沉積技術(shù)（Laser Melting Deposition，LMD）技術(shù)制備了具有煌⒐圩櫓?，虚嗆各覕棠酶傒狖[峁辜踔粱?拓撲優(yōu)化設計，生產(chǎn)制造出了一系列無法用傳統(tǒng)加工方式制造的鎂合金零件，大大拓展了鎂合金在輕量化復雜構(gòu)件上的應用潛力。

△增材制造制備的多孔鎂合金零件

常用鎂合金成分及其分類

純鎂由于其強度太低而很少被直接使用，在增材制造中常用鎂合金按牌號分為 AZ系列（AZ31， AZ61，AZ80，AZ91），ZK系列（ZK60，ZK61），WE系列（WE43，WE54，WE93）。根據(jù)標準 GB/T5153-2016，不同牌號的鎂合金化學成分如表 2所示。AZ系列（Mg-Al-Zn）鎂合金是以 Mg-Al系鎂合金為基礎發(fā)展而來的，適量的 Zn元素添加可以提升試件的抗蠕變性能并減輕鎂合金中的 Fe、Ni等雜質(zhì)元素對腐蝕性能所造成的不利影響，具有均衡的力學性能和一定的耐腐蝕能力，是目前在增材制造研究中應用最廣泛的鎂合金。ZK系列（Mg-Zn-Zr）鎂合金是在Mg-Zn系鎂合金的基礎上添加 Zr元素發(fā)展而來，研究表明鎂中添加 Zr元素后可以有效的細化晶粒，且有著較強的固溶強化作用，提升鎂合金的力學性能，是一種很有研究前景的生物醫(yī)用材料。WE（Mg-RE）系列鎂合金屬于稀土鎂合金，添加稀土元素的鎂合金在室溫下表現(xiàn)出良好的抗蠕變性能和拉伸性能。然而，稀土元素成本較高，目前對增材制造的研究主要集中在 AZ系鎂合金，對其他系合金尤其是稀土鎂合金的增材制造研究較少，開發(fā)低成本、高性能的稀土鎂合金對鎂合金增材制造的研究具有重要意義。

△不同牌號鎂合金化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

主流鎂合金增材制造技術(shù)的特點

金屬材料的增材制造過程與熔融熱源特點息息相關(guān)，基于先進連接技術(shù)的進步，金屬材料的增材制造得到了迅速的發(fā)展。目前，市面上主流的鎂合金增材制造技術(shù)按照熔融熱源可以分為SLM、WAAM、FSAM，它們各自的原理圖如下圖所示。

△鎂合金增材制造不同工藝示意圖

選區(qū)激光熔化技術(shù)

選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM）采用激光作為熱源對金屬粉末逐層掃描來獲得設計的金屬零件，適用于制造小體積，結(jié)構(gòu)復雜，對精度要求較高的零件。激光能量密度較高，斑點中心溫度遠高于鎂合金沸點，在成形過程中常發(fā)生鎂合金蒸發(fā)和元素燒損。另外，實驗結(jié)果容易受各種條件（粉末形狀及尺寸、實驗系統(tǒng)、環(huán)境）影響，工藝窗口狹窄，參數(shù)選擇不當會導致成形表面質(zhì)量較差，出現(xiàn)球化和蒸發(fā)等缺陷。

△部分SLM鎂合金與鎂基復合材料SLM增材制造加工參數(shù)

目前國內(nèi)外對鎂合金 SLM的研究仍處于發(fā)展的初步階段，幾乎所有的研究都是通過大量實驗探索合適的工藝參數(shù)，對比其微觀結(jié)構(gòu)、力學性能，相關(guān)研究尚未成熟。由于各實驗中最優(yōu)工藝參數(shù)與實驗系統(tǒng)、硬件設備等因素密切相關(guān)，實驗的可重復性較低，這使得各實驗的最優(yōu)工藝參數(shù)的實用價值不明顯?，F(xiàn)有的實驗結(jié)果難以建立準確的理論模型，加深建模和仿真方面的研究將有助于鎂合金 SLM的廣泛應用。

電弧熔絲沉積技術(shù)

電弧熔絲沉積技術(shù)（WAAM）依靠焊接電弧熔化焊絲沉積成形，具有低成本，沉積效率高等優(yōu)點，適合較大體積復雜結(jié)構(gòu)的增材制造。電弧熱源熱輸入較大，在WAAM成形過程中易出現(xiàn)熱裂紋和氣孔，并產(chǎn)生嚴重的熱積累效應，試樣下層經(jīng)受高溫熱積累和多次熱循環(huán)往往會發(fā)生晶粒粗化和晶粒取向改變，而熱應力引起的材料變形則會導致成形精度下降?，F(xiàn)階段研究主要集中在單道單層和單道多層堆焊成形和組織性能方面。

金屬絲是WAAM工藝的主要輸入材料，高性能的WAAM鎂合金工件對于絲材有一定的要求，如下表所示。

△WAAM鎂合金所用絲材要求

固態(tài)攪拌摩擦增材技術(shù)

固態(tài)攪拌摩擦增材制造（FSAM）是通過攪拌頭的旋轉(zhuǎn)和移動與層疊的薄板產(chǎn)生摩擦熱來使材料發(fā)生塑性變形并熔合在一起，具有制造效率高、性能優(yōu)良等優(yōu)點，適用于較大體積構(gòu)件的增材制造。在傳統(tǒng)鎂合金加工制造過程中常遇到粗晶、熱裂紋、氣孔、氧化和蒸發(fā)等諸多問題。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，F(xiàn)SAM工藝的熱輸入更少、熱影響區(qū)更窄、并且基于攪拌摩擦動態(tài)再結(jié)晶過程可以獲得超細晶粒，有效的減少了傳統(tǒng)制造技術(shù)中的缺陷，使 FSAM工藝成為最適合于進行鎂合金增材制造的工藝之一。不過采用 FSAM工藝制造鎂合金目前還存在一定的問題，增材制造后試樣中的孔隙、帶狀組織和鉤狀缺陷無法得到良好的解決。三種鎂合金增材制造工藝在適用條件，制造效率，熱源能量輸入，以及增材后構(gòu)件的組織形貌等方面有明顯的區(qū)別，其工藝特點對比如下表所示。

△獲得專利的MELD固態(tài)攪拌摩擦焊工藝。照片來自MELD制造

此外，增材制造工藝中的安全問題至關(guān)重要，在SLM工藝中，由于所用鎂粉材料熱積聚快，表面積大，彼此間不能充分散熱，在與氧接觸的情況下極易發(fā)生燃燒和爆炸，需要嚴格遵守鎂合金粉末在保存和使用過程中的規(guī)范性操作，安全隱患尤為突出；WAAM工藝中，由于采用鎂合金焊絲作為原材料，制造過程不易發(fā)生燃燒和爆炸，安全性高；FSAM工藝中，通常選用鎂合金板材、絲材或粉材作為原材料，但是作為固相增材制造工藝的一種，其制造過程溫度較低，只是將材料加熱至熱塑性狀態(tài)而非熔化狀態(tài)，并且制造件尺寸大散熱好，因此制造過程較為安全。

△鎂合金增材制造不同工藝特點對比

增材制造鎂合金的組織及性能

（一）鎂合金 SLM過程受到多種工藝參數(shù)和材料參數(shù)的影響，這些參數(shù)的變化會導致所制造構(gòu)件的化學成分、機械性能和幾何形狀發(fā)生明顯的變化。目前鎂合金 SLM研究工作主要集中于探究實驗參數(shù)（粉末特征、激光功率密度、掃描速度、脈沖頻率等）對試樣成形的影響規(guī)律。因此，識別和關(guān)注重要參數(shù)是很重要的。研究表明激光功率和掃描速度是決定SLM制備鎂合金成形質(zhì)量的重要因素。采用低能量密度（如較小的激光功率和掃描速度）不能使鎂合金粉末完全熔化，形成粉末燒結(jié)，造成高孔隙率和球化現(xiàn)象；隨著能量密度升高，試樣成形得到改善，但較高的能量密度則會使鎂合金燒損嚴重，劇烈蒸發(fā)。下表為采用 SLM工藝進行鎂合金增材制造的成形對比。

△不同材料鎂合金 SLM成形組織對比

隨著鎂合金的使用范圍與服役環(huán)境日漸擴大，鎂合金的缺點也逐漸暴露出來，目前最制約鎂合金廣泛使用的原因之一是其耐蝕性較低，在潮濕環(huán)境下無法長期服役。鎂合金耐腐蝕性較差的一個重要原因在于合金中的雜質(zhì)與基體極易形成微電偶腐蝕。當合金中雜質(zhì)含量降低小于 0.05%時，腐蝕速率將下降 90%。而 SLM工藝采用高純粉末成形，在原材料階段避免了雜質(zhì)的引入，因此對合金腐蝕性能的提升有助益。SLM過程中較高的冷卻速度，有利于合金組織細化，亦可以提高材料耐腐蝕性能。除此以外，熱處理（HIP等）或其他加工硬化的方式能夠進一步提升SLM鎂合金的力學性能。下表總結(jié)了近年高強 SLM鎂合金的力學性能。

△部分高強 SLM增材鎂合金室溫拉伸性能

不過在鎂合金SLM成形過程中，也容易產(chǎn)生氣孔，熱裂紋，未熔化孔隙等缺陷。氣孔形成主要是由于在高激光功率和低掃描速度下產(chǎn)生的小孔效應，形成較深的熔池，隨著熔池向前移動和熔池凝固，蒸氣來不及析出，形成氣孔。可以使用較大的激光輸入能量，但不蒸發(fā)鎂合金，合理地降低熔融金屬的動態(tài)粘度，保證熔融金屬的充分擴散，減少粉體飛濺，從而改善層間的潤濕性，減少構(gòu)件中的氣孔。鎂的沸點和熔點之間只有440℃，導致SLM過程中鎂合金的劇烈蒸發(fā)，出現(xiàn)粉體飛濺，元素燒損等問題。鎂對氧的高親和力是鎂合金SLM的另一個主要問題，鎂合金的氧化可能會阻礙層間結(jié)合并導致球化。除了引入污染外，如果氧化層被激光束破壞，它會沿著鎂合金試樣的晶界積聚，導致微裂紋的產(chǎn)生。目前減少鎂合金SLM成形構(gòu)件中的缺陷最主要的方式是調(diào)整工藝參數(shù)，其中激光功率和掃描速度是決定SLM制備的鎂合金成形質(zhì)量的重要因素，合適的工藝參數(shù)可以有效減少球化、元素燒損、氣孔等缺陷。

（二）目前關(guān)于鎂合金WAAM的研究大多采用非熔化極惰性氣體鎢極保護焊（Tungsten Inert Gas Welding， TIG）和熔化極惰性氣體保護焊（Melt Inert-gas Welding， MIG），電弧熱輸入較大，在增材制造過程中易產(chǎn)生熱積累，隨著沉積層數(shù)增加，上層鎂合金流動性增加，試樣普遍呈現(xiàn)出“上寬下窄”的成形特點，下表為鎂合金采用WAAM不同工藝成形對比。

△鎂合金（AZ31）WAAM不同工藝成形組織對比

在鎂合金WAAM工藝中，氫在鎂合金中的溶解度隨溫度的降低而減小，由于鎂的低密度和 WAAM 過程的快速冷卻，氣體在凝固過程中無法快速向上移動并從熔池中逸出而形成氣孔，類似現(xiàn)象在鋁合金WAAM 中也觀察到。通過做好對焊絲的保存、焊前母材清理以及調(diào)整焊接參數(shù)可對熔池中的氣體逸出和溶入進行控制，比如適當提高焊接電流和焊接速度，使熔池中氣體的逸出條件優(yōu)于溶入條件，可減少氣孔的產(chǎn)生。

（三）在 FSAM過程中，材料發(fā)生塑性流動，試樣成形很難得到控制，一般通過改變攪拌頭的轉(zhuǎn)速和焊接速度來控制熱輸入改善試樣宏觀成形。攪拌頭轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生的熱量越大，導致冷卻過程中的熱應力越大，而攪拌頭轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的摩擦熱不足以使材料發(fā)生流動。焊接速度過高或過低都會造成的試樣中產(chǎn)生缺陷。因此，成形良好的鎂合金 FSAM試樣需要合適的攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度。

△WE43鎂合金 FSAW工藝成形組織

孔隙、帶狀組織和鉤狀缺陷等問題常出現(xiàn)于鎂合金FSAM成形構(gòu)件中。當增材制造過程中熱輸入不夠時，會造成熔敷金屬的塑性變形不充分，材料流動性差，試樣內(nèi)部出現(xiàn)未完全閉合的現(xiàn)象，形成孔隙；當熱輸入過大時，會造成攪拌頭前進側(cè)的材料膨脹溢出，回填不充分，形成孔隙；當采用不帶螺紋的柱狀或者錐狀攪拌頭時，也會造成材料塑性變形不充分，形成孔隙。鉤狀缺陷和帶狀組織往往在較高的熱輸入時產(chǎn)生，且鉤狀缺陷彎曲的方向跟攪拌頭周圍的材料移動的方向相一致。下圖為在較高轉(zhuǎn)速下鎂合金FSAM試樣縱切面不同區(qū)域的成形缺陷?？赏ㄟ^合理控制焊接速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度來調(diào)整焊接熱輸入，或者選擇合適的攪拌頭幾何形狀等手段來避免缺陷的產(chǎn)生。

△鎂合金FSAM試樣中的缺陷（攪拌頭轉(zhuǎn)速為 1400 rpm、焊接速度為 102 mm/min）

如上所述，微觀組織直接影響著試樣的性能，不同制造工藝的微觀組織存在較大的差異，下表為鎂合金增材制造不同工藝成形試樣的微觀組織（晶粒尺寸、相組成）對比。由下表可以發(fā)現(xiàn)，由于鎂合金種類比較多，其成分相差較大，在增材制造后相組成各有不同。此外，鎂合金SLM與 FSAW相較于 WAAM晶粒細小，這主要是得益于激光快速冷卻以及攪拌摩擦中的動態(tài)再結(jié)晶，而 WAAM由于熱積累嚴重而導致晶粒粗大。

△鎂合金增材制造不同工藝成形試樣微觀組織對比

增材制造鎂合金面臨的問題與展望

近年來隨著國內(nèi)外學者們的努力，鎂合金在增材制造方面取得了一些成果，相較于傳統(tǒng)成形技術(shù)，其優(yōu)勢表現(xiàn)的非常突出，前景十分廣闊。但是在研究過程中也暴露出了很多問題，這些問題制約著鎂合金增材制造工藝的進一步應用與發(fā)展：

（1）基礎研究理論匱乏，由于缺乏鎂合金打印過程中的相關(guān)熱源能量輸入的調(diào)控模型，尤其是對SLM成形過程中過熱熔體在高能量激光輸入下反沖壓形成的飛濺難以進行模擬，以及對快冷過程中微觀組織演化的模擬研究與理論分析。對增材制造過程中殘余應力以及加工缺陷的研究也多使用低成本且工藝更為成熟的鋼、鋁合金或鈦合金作為研究樣本，對鎂合金體系關(guān)注較少，導致現(xiàn)有研究難以在鎂合金增材制造的多功能集成優(yōu)化設計原理和方法上實現(xiàn)突破；

（2）受制于安全因素的影響，鎂合金增材制造經(jīng)驗依然相對匱乏，樣件內(nèi)部經(jīng)常存在一定的缺陷，如熱裂紋、氣孔等，目前僅能在成型后通過熱等靜壓的方式部分消除缺陷。鎂合金是熱敏材料，增材制造過程中材料往往存在強烈的物理、化學變化以及復雜的物理冶金過程，同時伴隨著復雜的形變過程，以上過程影響因素眾多，涉及材料、結(jié)構(gòu)設計、工藝過程、后處理等諸多因素，這也使得合金增材制造過程的工藝—組織—性能關(guān)系往往難以準確把握，導致增材制造鎂合金的性能無法充分發(fā)揮。此外，由于鎂合金活潑，增材過程中易飛濺，易開裂的性質(zhì)，需要針對鎂合金開發(fā)專門的 SLM機器設備；

（3）目前尚無適用于增材制造的專用鎂合金原材料（絲材和粉材），現(xiàn)有產(chǎn)品多為現(xiàn)有的商用鑄造牌號鎂合金，無法充分利用增材制造工藝的高溫快冷特性，設計和開發(fā)適合增材制造加工的其他鎂合金成分體系尤為重要；

（4）對增材制造鎂基復合材料或鎂基成分梯度合金的關(guān)注度不足。由于增材制造工藝上的特殊性，可以通過不同的鋪粉倉或送絲器生產(chǎn)加工出成分梯度的零件或復合材料，這一設想已經(jīng)在鎳合金、鈦合金、高熵合金、鐵-鋁合金均嘗試成功。增材制造鎂基復合材料與鎂基梯度材料的成功開發(fā)必將更大程度上發(fā)揮鎂合金的減重優(yōu)勢，拓寬鎂合金的應用場景。

隨著鎂合金增材制造技術(shù)逐漸成熟，其革新作用也正日益凸顯，增材制造技術(shù)能夠有效地輔助和加速提升我國在鎂合金制造與研發(fā)方面的水平，對于我國這樣一個鎂合金資源大國來說，這將是提升我國鎂科技的關(guān)鍵機遇，只有在技術(shù)上處于先進水平，才能把我國的鎂資源優(yōu)勢發(fā)揮出來，在國際行業(yè)競爭上占得先機，加快向工業(yè)強國轉(zhuǎn)變。

審核編輯 ：李倩