高性能鎂合金增材制造技術研究進展
時間：2024-01-17 10:19 來源：材料成型及模擬分析 作者：admin 閱讀：次
摘要：鎂合金在航空航天、軌道交通、新能源、生物醫用等領域具有廣闊應用前景，增材制造技術(Additive
Manufacturing)的發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，開發適用于鎂合金的增材制造技術并通過材料改性與工藝優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。
鎂合金密度低、比強度高、綜合力學性能優異，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、成形原理、構件結構與性能一體化設計的角度開發全新的先進制造技術。
近年來，增材制造技術(Additive manufacturing, AM)的快速發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成熟。目前，鎂合金增材制造技術主要有激光選區熔化(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]。開發更適合鎂合金的增材制造技術并通過材料改性與工藝優化來減少冶金缺陷是突破其應用瓶頸的關鍵�；诖�，本文綜述鎂合金增材制造技術的研究現狀與發展趨勢，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]。
1.1 SLM 成形過程的數值模擬
SLM 成形過程中，鎂合金粉末發生熔化并迅速凝固(冷卻速率高達 104
～105 K/s)，熔池的溫度梯度可達 103～105 K/cm，難以實時監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于相同成分的鑄態鎂合金，如何協同提高材料的強度、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 ZK60 鎂合金。王金業等[39]對比了最佳 SLM工藝參數所得 AZ91 鎂合金與壓鑄態 AZ91 鎂合金的力學性能(見表 4)，SLM 態鎂合金的力學性能明顯高于壓鑄態 AZ91 鎂合金，其平均抗拉強度和延伸率分別比壓鑄態提高了 38.09%和 138.67%。
1.4 SLM 鎂合金的性能優化
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，如圖 6 所示。
鎂合金密度低、比強度高、綜合力學性能優異，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、成形原理、構件結構與性能一體化設計的角度開發全新的先進制造技術。
近年來，增材制造技術(Additive manufacturing, AM)的快速發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成熟。目前，鎂合金增材制造技術主要有激光選區熔化(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]。開發更適合鎂合金的增材制造技術并通過材料改性與工藝優化來減少冶金缺陷是突破其應用瓶頸的關鍵�；诖�，本文綜述鎂合金增材制造技術的研究現狀與發展趨勢，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]。
1.1 SLM 成形過程的數值模擬
SLM 成形過程中，鎂合金粉末發生熔化并迅速凝固(冷卻速率高達 104
～105 K/s)，熔池的溫度梯度可達 103～105 K/cm，難以實時監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于相同成分的鑄態鎂合金，如何協同提高材料的強度、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 ZK60 鎂合金。王金業等[39]對比了最佳 SLM工藝參數所得 AZ91 鎂合金與壓鑄態 AZ91 鎂合金的力學性能(見表 4)，SLM 態鎂合金的力學性能明顯高于壓鑄態 AZ91 鎂合金，其平均抗拉強度和延伸率分別比壓鑄態提高了 38.09%和 138.67%。
1.4 SLM 鎂合金的性能優化
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，如圖 6 所示。
圖 6 HIP 處理前后 SLM-AZ61 鎂合金微觀組織和力學性能的變化
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