鎂合金增材制造技術現狀及發展趨勢深度解析(2)
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
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和材料參數的影響，這些參數的變化會導致所制造構件的化學成分、機械性能和幾何形狀發生明顯的變化。
目前鎂合金 SLM研究工作主要集中于探究實驗參數（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律。因此，識別和關注重要參數是很重要的。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，造成高孔隙率和球化現象；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。下表為采用SLM工藝進行鎂合金增材制造的成形對比。
圖：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與基體極易形成微電偶腐蝕。當合金中雜質含量降低小于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。下表總結了近年高強
SLM鎂合金的力學性能。
圖：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，但不蒸發鎂合金，合理地降低熔融金屬的動態粘度，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，出現粉體飛濺，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，導致微裂紋的產生。目前減少鎂合金SLM成形構件中的缺陷最主要的方式是調整工藝參數，其中激光功率和掃描速度是決定SLM制備的鎂合金成形質量的重要因素，合適的工藝參數可以有效減少球化、元素燒損、氣孔等缺陷。（二）目前關于鎂合金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生熱積累，隨著沉積層數增加，上層鎂合金流動性增加，試樣普遍呈現出“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。
圖：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整焊接參數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于溶入條件，可減少氣孔的產生。（三）在FSAM過程中，材料發生塑性流動，試樣成形很難得到控制，一般通過改變攪拌頭的轉速和焊接速度來控制熱輸入改善試樣宏觀成形。
攪拌頭轉速越高，產生的熱量越大，導致冷卻過程中的熱應力越大，而攪拌頭轉速越低，產生的摩擦熱不足以使材料發生流動。焊接速度過高或過低都會造成試樣中產生缺陷。因此，成形良好的鎂合金FSAM試樣需要合適的攪拌頭轉速和焊接速度。
圖：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于鎂合金FSAM成形構件中。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，試樣內部出現未完全閉合的現象，形成孔隙；當熱輸入過大時，會造成攪拌頭前進側的材料膨脹溢出，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。下圖為在較高轉速下鎂合金FSAM試樣縱切面不同區域的成形缺陷。可通過合理控制焊接速度、攪拌頭旋轉速度來調整焊接熱輸入，或者選擇合適的攪拌頭幾何形狀等手段來避免缺陷的產生。
圖：鎂合金FSAM試樣中的缺陷（攪拌頭轉速為 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。由下表可以發現，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再結晶，而 WAAM由于熱積累嚴重而導致晶粒粗大。
圖：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，相較于傳統成形技術，其優勢表現得非常突出，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熱源能量輸入的調控模型，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，對鎂合金體系關注較少，導致現有研究難以在鎂合金增材制造的多功能集成優化設計原理和方法上實現突破；
（2）受制于安全因素的影響，鎂合金增材制造經驗依然相對匱乏，樣件內部經常存在一定的缺陷，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、結構設計、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揮。此外，由于鎂合金活潑，增材過程中易飛濺，易開裂的性質，需要針對鎂合金開發專門的 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），現有產品多為現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加工出成分梯度的零件或復合材料，這一設想已經在鎳合金、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必將更大程度上發揮鎂合金的減重優勢，拓寬鎂合金的應用場景。
隨著鎂合金增材制造技術逐漸成熟，其革新作用也正日益凸顯，增材制造技術能夠有效地輔助和加速提升我國在鎂合金制造與研發方面的水平，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鍵機遇，只有在技術上處于先進水平，才能把我國的鎂資源優勢發揮出來，在國際行業競爭上占得先機，加快向工業強國轉變。
(責任編輯：admin)
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