鎂合金增材制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢深度解析
時間：2023-12-12 09:56 來源：上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家 作者：admin 閱讀：次
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1.74g/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(dāng)。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(yīng)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(shè)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(fù)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(shè)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(shè)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(shè)計能力，凈成形制備出傳統(tǒng)制造無法實現(xiàn)的復(fù)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(yīng)用。
鎂合金的分類
3D打印技術(shù)已廣泛用于制造不銹鋼、鈦合金、鋁合金等復(fù)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)制備了具有拓撲優(yōu)化設(shè)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(fù)雜構(gòu)件上的應(yīng)用潛力。
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）。
AZ系列（Mg-Al-Zn）鎂合金是以 Mg-Al系鎂合金為基礎(chǔ)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(xué)性能和一定的耐腐蝕能力，是目前在增材制造研究中應(yīng)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(chǔ)上添加Zr元素發(fā)展而來，研究表明鎂中添加Zr元素后可以有效地細化晶粒，且有著較強的固溶強化作用，提升鎂合金的力學(xué)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。
鎂合金3D打印技術(shù)
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。
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(shè)計的金屬零件，適用于制造小體積，結(jié)構(gòu)復(fù)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?zé)龘p。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(dāng)會導(dǎo)致成形表面質(zhì)量較差，出現(xiàn)球化和蒸發(fā)等缺陷。
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(fù)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(yīng)，試樣下層經(jīng)受高溫?zé)岱e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(yīng)力引起的材料變形則會導(dǎo)致成形精度下降。現(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。
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，有效地減少了傳統(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。
鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，密度僅為1.74g/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(dāng)。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(yīng)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(shè)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(fù)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(shè)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(shè)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(shè)計能力，凈成形制備出傳統(tǒng)制造無法實現(xiàn)的復(fù)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(yīng)用。
圖：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）
鎂合金的分類
3D打印技術(shù)已廣泛用于制造不銹鋼、鈦合金、鋁合金等復(fù)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)制備了具有拓撲優(yōu)化設(shè)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(fù)雜構(gòu)件上的應(yīng)用潛力。
圖：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）。
AZ系列（Mg-Al-Zn）鎂合金是以 Mg-Al系鎂合金為基礎(chǔ)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(xué)性能和一定的耐腐蝕能力，是目前在增材制造研究中應(yīng)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(chǔ)上添加Zr元素發(fā)展而來，研究表明鎂中添加Zr元素后可以有效地細化晶粒，且有著較強的固溶強化作用，提升鎂合金的力學(xué)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。
圖：不同牌號鎂合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)
鎂合金3D打印技術(shù)
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(shè)計的金屬零件，適用于制造小體積，結(jié)構(gòu)復(fù)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?zé)龘p。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(dāng)會導(dǎo)致成形表面質(zhì)量較差，出現(xiàn)球化和蒸發(fā)等缺陷。
圖：部分SLM鎂合金與鎂基復(fù)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(xué)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(shè)備等因素密切相關(guān)，實驗的可重復(fù)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。現(xiàn)有的實驗結(jié)果難以建立準(zhǔn)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(yīng)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(fù)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(yīng)，試樣下層經(jīng)受高溫?zé)岱e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(yīng)力引起的材料變形則會導(dǎo)致成形精度下降。現(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，有效地減少了傳統(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。
圖：獲得專利的MELD固態(tài)攪拌摩擦焊工藝
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
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