六校聯合發表鎂合金頂刊綜述：鎂合金增材制造的最新進展與展望
時間：2022-06-13 10:25 來源：材料學網 作者：admin 閱讀：次
導讀：鎂合金在輕量化和先進設備的背景下仍然至關重要。鎂（Mg）的利用率逐年增加，表明對其鎂基合金的需求不斷增長。增材制造（AM）提供了直接制造網形組件的可能性，為使用鎂合金提供了新的可能性和應用，并為利用“3D打印”帶來的新型物理結構提供了新的前景。在此，澳大利亞國立大學、新加坡制造技術研究所、中國湖南大學、美國麻省理工學院等六所國內外頂級研究機構在本文綜述全面探索迄今為止鎂合金的增材制造，包括所用工藝和測量性能（與常規制備的鎂合金進行比較）。AM鎂合金的挑戰和可能性在機械冶金領域得到了批判性的闡述。
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%。鎂合金的高比強度使其成為汽車、消費電子和航空航天應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+）是人體內許多生化反應所必需的，它們增強新陳代謝并介導成骨細胞增殖。因此，鎂合金也被考慮用于醫療領域，例如骨科，頜面應用和心臟病學。迄今為止，>95%的鎂合金產品是通過鑄造（包括壓力壓鑄）生產的，而鍛造鎂合金的應用有限，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）在材料界越來越受到關注，因為AM使傳統制造無法實現的設計能力，并且可能還有迄今為止未知的材料性能。增材制造具有幾個獨特的優勢，例如設計自由度（和拓撲優化）、最小的資源浪費和更少的能源使用。此外，AM克服了傳統（形成性或減法）制造路線的局限性。高精度生產復雜內部和外部幾何形狀的能力使開發精確的幾何特征成為可能（參見圖1中的復雜晶格幾何形狀）。設計自由度使人們能夠通過拓撲優化和使用自由空間作為設計變量，使最輕的工程金屬更輕。此外，如果用作生物材料，具有大表面積的組分將促進細胞生長，增殖和骨再生;或者如果用作Mg電極，則提供顯著的反應區域。AM-Mg技術有望滿足骨科和血管外科對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撲優化的植入物在技術上可行。此外，對工藝參數的精確控制可以生產出具有定制微觀結構和性能的合金。最近的研究已經證明了這一點，這些研究報告使用各種AM技術成功生產了具有增強性能的新型Al，Fe和Ti基合金。
然而，迄今為止，AM-Mg合金領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）的反應性質，除了有關鎂粉的氧化，蒸發和處理的其他問題外，還引起了健康和安全問題。然而，正如自2010年以來的研究成果（圖2）所指出的那樣，LPBF過程中的風險控制已經顯示出巨大的成功，允許基于Mg粉末的添加劑方法被常規和可重復地用于安全地制造不同成分的Mg合金。防護措施包括（1）在防火安全儲罐中處理/儲存鎂合金粉末并適量;（2）管理可能需要采取控制措施的情況的人員培訓;（3）準備和清潔LPBF機器的過濾器和處理室，包括去除靜電放電等所有潛在的點火原因;（4）在增材制造之前和期間控制反應氣體。除了安全問題外，另一個限制LPBF-Mg合金發展的問題是Mg粉末的質量一致性。Mg粉末的性質不斷變化，因此您不會找到固定的LPBF參數。
除了基于激光粉末的增材制造外，還探索了各種增材制造方法，包括燒結，線弧增材制造（WAAM），攪拌摩擦加工和噴墨方法。盡管這些不同的方法是否可以被視為“增材制造”在社區中仍在爭論中，但我們仍然接受它們在一般意義上遵循“增材制造”策略，因此將它們納入本綜述。鑒于增材制造技術已經得到了Debroy等人的好評。澳大利亞國立大學、新加坡制造技術研究所、中國湖南大學、美國麻省理工學院等在本綜述中將僅關注增材制造Mg（而不是一般的AM技術），該技術呈現了與其他AM合金系統（如Al，Ti和鋼）的許多獨特特性。迄今為止，盡管已經發表了幾篇關于鎂增材制造的綜合綜述，但AM-Mg中的成分 -加工-微觀結構-性質關系尚未得到系統的探索（或建立）。造成這種情況的一個主要原因是AM-Mg合金的微觀結構 - 性能關系的結果在不同的報告中揭示了一些差異。本綜述的目的是總結AM-Mg的最新進展，系統地研究和批判性地分析迄今為止報告的結果；并允許揭示控制AM-Mg微觀結構和性質的關鍵因素。總而言之，將討論AM-Mg面臨的一些挑戰，并提供未來的展望。本研究以題“Recent progress and perspectives in additive manufacturing of magnesium alloys”發表在Journaal of Magnesium and Alloys 上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 00688#fig0011Recent
在介紹的方法中，最終應用將與生產路線的選擇相關。例如，根據本文審查的作品，似乎大多數方法（LPBF除外）都不適合生物醫學應用。相反，LPBF在可能生產的組件的尺寸上受到限制。然而，顯而易見的是，增材制造 Mg合金的前景是巨大的，并且實現本文引言中提出的機會的潛力都是可能的（凈形狀，多樣化的合金成分，復雜的設計，定制等）。然而，這篇綜述也非常清楚地表明，仍然存在許多開放的研究問題，并且到目前為止還沒有（單一或社區）嘗試回答這些問題。這種懸而未決的問題的一個例子是增材制造 Mg合金的延展性是否受到位錯密度或殘余應力的不利影響？在AM鎂合金中是否對位錯密度進行了適當的研究 - 以及如何與其他六方密排合金（如鈦合金）相比性能？在總是發生一些蒸發的情況下，LPBF中AM Mg合金的凝固會是什么樣子？等。
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%。鎂合金的高比強度使其成為汽車、消費電子和航空航天應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+）是人體內許多生化反應所必需的，它們增強新陳代謝并介導成骨細胞增殖。因此，鎂合金也被考慮用于醫療領域，例如骨科，頜面應用和心臟病學。迄今為止，>95%的鎂合金產品是通過鑄造（包括壓力壓鑄）生產的，而鍛造鎂合金的應用有限，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）在材料界越來越受到關注，因為AM使傳統制造無法實現的設計能力，并且可能還有迄今為止未知的材料性能。增材制造具有幾個獨特的優勢，例如設計自由度（和拓撲優化）、最小的資源浪費和更少的能源使用。此外，AM克服了傳統（形成性或減法）制造路線的局限性。高精度生產復雜內部和外部幾何形狀的能力使開發精確的幾何特征成為可能（參見圖1中的復雜晶格幾何形狀）。設計自由度使人們能夠通過拓撲優化和使用自由空間作為設計變量，使最輕的工程金屬更輕。此外，如果用作生物材料，具有大表面積的組分將促進細胞生長，增殖和骨再生;或者如果用作Mg電極，則提供顯著的反應區域。AM-Mg技術有望滿足骨科和血管外科對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撲優化的植入物在技術上可行。此外，對工藝參數的精確控制可以生產出具有定制微觀結構和性能的合金。最近的研究已經證明了這一點，這些研究報告使用各種AM技術成功生產了具有增強性能的新型Al，Fe和Ti基合金。
然而，迄今為止，AM-Mg合金領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）的反應性質，除了有關鎂粉的氧化，蒸發和處理的其他問題外，還引起了健康和安全問題。然而，正如自2010年以來的研究成果（圖2）所指出的那樣，LPBF過程中的風險控制已經顯示出巨大的成功，允許基于Mg粉末的添加劑方法被常規和可重復地用于安全地制造不同成分的Mg合金。防護措施包括（1）在防火安全儲罐中處理/儲存鎂合金粉末并適量;（2）管理可能需要采取控制措施的情況的人員培訓;（3）準備和清潔LPBF機器的過濾器和處理室，包括去除靜電放電等所有潛在的點火原因;（4）在增材制造之前和期間控制反應氣體。除了安全問題外，另一個限制LPBF-Mg合金發展的問題是Mg粉末的質量一致性。Mg粉末的性質不斷變化，因此您不會找到固定的LPBF參數。
除了基于激光粉末的增材制造外，還探索了各種增材制造方法，包括燒結，線弧增材制造（WAAM），攪拌摩擦加工和噴墨方法。盡管這些不同的方法是否可以被視為“增材制造”在社區中仍在爭論中，但我們仍然接受它們在一般意義上遵循“增材制造”策略，因此將它們納入本綜述。鑒于增材制造技術已經得到了Debroy等人的好評。澳大利亞國立大學、新加坡制造技術研究所、中國湖南大學、美國麻省理工學院等在本綜述中將僅關注增材制造Mg（而不是一般的AM技術），該技術呈現了與其他AM合金系統（如Al，Ti和鋼）的許多獨特特性。迄今為止，盡管已經發表了幾篇關于鎂增材制造的綜合綜述，但AM-Mg中的成分 -加工-微觀結構-性質關系尚未得到系統的探索（或建立）。造成這種情況的一個主要原因是AM-Mg合金的微觀結構 - 性能關系的結果在不同的報告中揭示了一些差異。本綜述的目的是總結AM-Mg的最新進展，系統地研究和批判性地分析迄今為止報告的結果；并允許揭示控制AM-Mg微觀結構和性質的關鍵因素。總而言之，將討論AM-Mg面臨的一些挑戰，并提供未來的展望。本研究以題“Recent progress and perspectives in additive manufacturing of magnesium alloys”發表在Journaal of Magnesium and Alloys 上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 00688#fig0011Recent
在介紹的方法中，最終應用將與生產路線的選擇相關。例如，根據本文審查的作品，似乎大多數方法（LPBF除外）都不適合生物醫學應用。相反，LPBF在可能生產的組件的尺寸上受到限制。然而，顯而易見的是，增材制造 Mg合金的前景是巨大的，并且實現本文引言中提出的機會的潛力都是可能的（凈形狀，多樣化的合金成分，復雜的設計，定制等）。然而，這篇綜述也非常清楚地表明，仍然存在許多開放的研究問題，并且到目前為止還沒有（單一或社區）嘗試回答這些問題。這種懸而未決的問題的一個例子是增材制造 Mg合金的延展性是否受到位錯密度或殘余應力的不利影響？在AM鎂合金中是否對位錯密度進行了適當的研究 - 以及如何與其他六方密排合金（如鈦合金）相比性能？在總是發生一些蒸發的情況下，LPBF中AM Mg合金的凝固會是什么樣子？等。
圖 1.激光粉末 - 床融合制備了“Mg”形狀的晶格結構，由Mg合金WE43生產（圖片由Meotec GmbH和Dr.M. Esmaily提供）。
圖 2.時間軸顯示了基于粉末的AM-Mg研究和開發的歷史背景，表明了自首次利用AM燒結Mg粉末的科學研究以來的“里程碑”。
圖 3.在減容系統中以圓柱形和立方形的鎂合金的LPBF
圖 4.鎂的蒸發速率（J毫克）和各種溫度下AZ91D熔池中的合金元素比（J鋁， J鋅和 J錳—分別燃燒Al、Zn和Mn）（a） J毫克（b） J毫克/J鋁（c） J毫克/J鋅（d） J毫克/J錳.（e） 不同樣品的Mg/Al重量比（η）以及η與激光能量密度的擬合關系（EV).轉載自。
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