鎂合金增材制造技術現狀及發展趨勢深度解析
時間：2023-12-12 09:56 來源：上海交通大學輕合金精密成型國家 作者：admin 閱讀：次
航空航天、武器裝備等重要領域對輕量化材料的需求日益迫切，鎂合金作為質量最輕的金屬結構材料逐漸受到廣泛關注，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構材料，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，與多數工程塑料相當。不僅如此，鎂合金還具有諸多優異的特性，例如優良的比強度與比剛度、優異的阻尼性能、熱穩定性和抗電磁輻射性能等，已經被廣泛應用于航空、航天、汽車、電子通訊等領域。
隨著工業界對產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的鑄造、粉末冶金和塑性成形等，這些傳統的加工工藝難以對一體化構件內部進行加工，無法在部件內部構建精細流道結構或拓撲結構，限制鎂合金發揮輕量化的優勢與復雜結構件成型的潛力。在此情況下，增材制造突破了傳統制造的限制，具有高精度、高設計自由度、高利用率與節能等特點。通過對工藝參數的設計，可以調控合金微觀結構和性能，最大化實現合金材料的形性協同設計能力，凈成形制備出傳統制造無法實現的復雜結構產品，擴大鎂合金在生物醫用、汽車、消費電子等領域的應用。
鎂合金的分類
3D打印技術已廣泛用于制造不銹鋼、鈦合金、鋁合金等復雜樣件，并成功用于發動機機匣，散熱管道，減重結構件等。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研究也逐步展開，以期突破傳統鎂合金制備工藝對鎂合金發揮輕量化優勢的限制。目前研究人員已經成功利用選區激光熔化技術（Selective Laser Melting，SLM）技術、電弧熔絲沉積技術（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）技術、攪拌摩擦增材技術（Friction Stir Additive Manufacturing, FSAM）技術、激光熔化沉積技術（Laser Melting Deposition，LMD）技術制備了具有拓撲優化設計，生產制造出了一系列無法用傳統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件上的應用潛力。
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系鎂合金為基礎發展而來的，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，提升鎂合金的力學性能，是一種很有研究前景的生物醫用材料。
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
金屬材料的增材制造過程與熔融熱源特點息息相關，基于先進連接技術的進步，金屬材料的增材制造得到了迅速的發展。目前，市面上主流的鎂合金增材制造技術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。
選區激光熔化技術
選區激光熔化技術（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，結構復雜，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，在成形過程中常發生鎂合金蒸發和元素燒損。另外，實驗結果容易受各種條件（粉末形狀及尺寸、實驗系統、環境）影響，工藝窗口狹窄，參數選擇不當會導致成形表面質量較差，出現球化和蒸發等缺陷。
電弧熔絲沉積技術
電弧熔絲沉積技術（WAAM）依靠焊接電弧熔化焊絲沉積成形，具有低成本，沉積效率高等優點，適合較大體積復雜結構的增材制造。電弧熱源熱輸入較大，在WAAM成形過程中易出現熱裂紋和氣孔，并產生嚴重的熱積累效應，試樣下層經受高溫熱積累和多次熱循環往往會發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。現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。
固態攪拌摩擦增材制造（FSAM）是通過攪拌頭的旋轉和移動與層疊的薄板產生摩擦熱來使材料發生塑性變形并熔合在一起，具有制造效率高、性能優良等優點，適用于較大體積構件的增材制造。在傳統鎂合金加工制造過程中常遇到粗晶、熱裂紋、氣孔、氧化和蒸發等諸多問題。與傳統制造技術相比，FSAM工藝的熱輸入更少、熱影響區更窄、并且基于攪拌摩擦動態再結晶過程可以獲得超細晶粒，有效地減少了傳統制造技術中的缺陷，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，以及增材后構件的組織形貌等方面有明顯的區別，其工藝特點對比如下表所示。
鎂合金作為最輕的金屬結構材料，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，與多數工程塑料相當。不僅如此，鎂合金還具有諸多優異的特性，例如優良的比強度與比剛度、優異的阻尼性能、熱穩定性和抗電磁輻射性能等，已經被廣泛應用于航空、航天、汽車、電子通訊等領域。
隨著工業界對產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的鑄造、粉末冶金和塑性成形等，這些傳統的加工工藝難以對一體化構件內部進行加工，無法在部件內部構建精細流道結構或拓撲結構，限制鎂合金發揮輕量化的優勢與復雜結構件成型的潛力。在此情況下，增材制造突破了傳統制造的限制，具有高精度、高設計自由度、高利用率與節能等特點。通過對工藝參數的設計，可以調控合金微觀結構和性能，最大化實現合金材料的形性協同設計能力，凈成形制備出傳統制造無法實現的復雜結構產品，擴大鎂合金在生物醫用、汽車、消費電子等領域的應用。
圖：激光粉末床熔融技術制備的“Mg”形狀的點陣結構（由鎂合金WE43制成）
鎂合金的分類
3D打印技術已廣泛用于制造不銹鋼、鈦合金、鋁合金等復雜樣件，并成功用于發動機機匣，散熱管道，減重結構件等。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研究也逐步展開，以期突破傳統鎂合金制備工藝對鎂合金發揮輕量化優勢的限制。目前研究人員已經成功利用選區激光熔化技術（Selective Laser Melting，SLM）技術、電弧熔絲沉積技術（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）技術、攪拌摩擦增材技術（Friction Stir Additive Manufacturing, FSAM）技術、激光熔化沉積技術（Laser Melting Deposition，LMD）技術制備了具有拓撲優化設計，生產制造出了一系列無法用傳統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件上的應用潛力。
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系鎂合金為基礎發展而來的，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，提升鎂合金的力學性能，是一種很有研究前景的生物醫用材料。
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成分(質量分數，%)
鎂合金3D打印技術
金屬材料的增材制造過程與熔融熱源特點息息相關，基于先進連接技術的進步，金屬材料的增材制造得到了迅速的發展。目前，市面上主流的鎂合金增材制造技術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
選區激光熔化技術
選區激光熔化技術（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，結構復雜，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，在成形過程中常發生鎂合金蒸發和元素燒損。另外，實驗結果容易受各種條件（粉末形狀及尺寸、實驗系統、環境）影響，工藝窗口狹窄，參數選擇不當會導致成形表面質量較差，出現球化和蒸發等缺陷。
圖：部分SLM鎂合金與鎂基復合材料SLM增材制造加工參數
目前國內外對鎂合金
SLM的研究仍處于發展的初步階段，幾乎所有的研究都是通過大量實驗探索合適的工藝參數，對比其微觀結構、力學性能，相關研究尚未成熟。由于各實驗中最優工藝參數與實驗系統、硬件設備等因素密切相關，實驗的可重復性較低，這使得各實驗的最優工藝參數的實用價值不明顯�，F有的實驗結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
電弧熔絲沉積技術（WAAM）依靠焊接電弧熔化焊絲沉積成形，具有低成本，沉積效率高等優點，適合較大體積復雜結構的增材制造。電弧熱源熱輸入較大，在WAAM成形過程中易出現熱裂紋和氣孔，并產生嚴重的熱積累效應，試樣下層經受高溫熱積累和多次熱循環往往會發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。現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
固態攪拌摩擦增材技術固態攪拌摩擦增材制造（FSAM）是通過攪拌頭的旋轉和移動與層疊的薄板產生摩擦熱來使材料發生塑性變形并熔合在一起，具有制造效率高、性能優良等優點，適用于較大體積構件的增材制造。在傳統鎂合金加工制造過程中常遇到粗晶、熱裂紋、氣孔、氧化和蒸發等諸多問題。與傳統制造技術相比，FSAM工藝的熱輸入更少、熱影響區更窄、并且基于攪拌摩擦動態再結晶過程可以獲得超細晶粒，有效地減少了傳統制造技術中的缺陷，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，以及增材后構件的組織形貌等方面有明顯的區別，其工藝特點對比如下表所示。
圖：獲得專利的MELD固態攪拌摩擦焊工藝
此外，增材制造工藝中的安全問題至關重要，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而非熔化狀態，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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