增材制造镁及镁合金：工艺-成形性-组织-性能关系和内在机制

1. 文章导读

镁及其合金具有极低密度、高比强度、高比刚度、优异的减振和电磁屏蔽性能以及良好的生物相容性等优势，在航空航天、武器国防、汽车能源、电子产品和医用植入物等领域展现出光明的发展和应用前景，被广泛认为是21 世纪最理想的绿色材料。近年来，随着“双碳”目标的提出以及我国高端装备大型结构件对材料轻质化、多功能化和高性能化需求的提高，基于结构-功能协同优化的先进镁合金材料的成分设计、快速制备与产业化推广越来越受到来自科学界和工程界的关注。

增材制造是当前快速发展的一项革命性技术，其计算机辅助“逐点、逐线、逐层”成形特征所带来的材料浪费少、几何设计和优化自由度高、高度集成和多功能制造以及加速产品迭代等相较于传统制造工艺的显著优势，使其在先进镁合金材料制备中展现出巨大潜力。然而，由于增材制造是一种周期性、非稳态、循环加热和冷却条件下的非平衡快速凝固过程，增材制造镁合金组织往往呈现出不同于传统加工组织的新颖特征。因此，为了加快增材制造技术在镁合金成形中的应用，以及促进增材制造专用镁合金的快速发展，亟需对镁合金的增材制造工艺-组织-性能关系及其内在机制进行探索和研究。

近期，西安理工大学徐春杰教授团队，“诺贝尔化学奖得主”、以色列理工学院丹•谢赫特曼教授及合作者在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《Additive manufacturing of magnesium and its alloys: process-formability-microstructure-performance relationship and underlying mechanism》的综述文章，在对工艺参数、成形质量、显微组织和性能之间的关系进行全面系统回顾的基础上，分析并讨论了缺陷出现和消除、相结构形成和演变以及性能优化的内在机制，并对未来发展方向进行了展望。

关键词：

增材制造；镁合金；成形质量；显微组织；性能

文章亮点：

•系统讨论了镁及其合金的增材制造工艺-成形性关系，阐明了缺陷形成机理及消除措施；

•分析了增材制造镁及其合金的晶粒、相结构等组织特征，厘清了组织形成与演化机理；

•总结了目前增材制造镁及其合金的性能范围，讨论了组织-性能关系，并在此基础上揭示了性能优化的内在机制；

•探讨了增材制造镁合金的潜在应用，展望突出未来的科学研究方向。

图1 增材制造镁合金的未来发展方向。

2. 研究背景

当前，增材制造镁合金受到了越来越多的关注。增材制造技术较高的成形自由度以及可定制化的工艺过程，为先进镁合金材料的发展带来了新的机遇与挑战。国内外研究人员探索了电弧增材制造、选区激光熔化、激光定向能量沉积、搅拌摩擦增材制造和粘结剂喷射成形等多种增材制造技术在镁合金成形中的应用。然而，目前研究多集中在电弧增材制造和选区激光熔化上，这可能归因于镁及其合金的两个主要应用领域，即结构材料和生物医用材料。电弧增材制造技术在大型零部件的快速制造方面具有显著优势，因此电弧增材制造镁合金相关文献较多关注力学性能。选区激光熔化技术有利于制备精细复杂的结构（如点阵结构），因此相关研究主要集中在耐腐蚀性和生物相容性方面。尽管已有多篇综述性论文对镁及其合金的增材制造最新进展进行了总结和讨论。但是，有关增材制造镁合金工艺-成形性-组织-性能关系以及这种关系的内在机制尚未得到系统的探索和分析。因此，本文目的是在对增材制造镁及其合金的工艺-成形性-显微组织-性能关系进行全面而深入的回顾的基础上，讨论和揭示其内在蕴含的科学机理，并突出未来的科学研究方向。

3. 最新进展

(1) 镁合金增材制造过程中的元素挥发：Mg和Zn是镁合金增材制造过程中的两种主要挥发元素。考虑到含Zn镁合金中Mg元素的重量百分比远高于Zn元素的重量百分比，因而后者的汽化会比前者更强烈，导致Mg/Zn比增加。增材制造过程中的元素蒸发是不可避免的，但可以通过优化工艺参数来大大减少。

(2) 增材制造镁合金中的缺陷：气孔、未熔合、裂纹和表面球化通常在增材制造加工的镁合金中观察到。气孔的形成与粉末特性（如空心粉末）、相邻粉末之间的间隙、元素挥发和匙孔破坏有关。未熔合的出现归因于能量输入不足和搭接不充分。热裂纹和冷裂纹都是由于增材制造过程中快速加热和冷却引起的高残余应力造成的。此外，表面球化的出现通常是由高能量输入时的液滴/粉末飞溅和低能量输入时的界面张力引起的。适当的工艺参数可以消除未熔合和裂纹。经过总结还发现，电弧增材制造比选区激光熔化更有利于成形致密镁合金。

表1 增材制造镁合金的致密度汇总。

(3) 增材制造镁合金的显微组织特征：大部分增材制造镁合金通常以等轴晶为主，尽管柱状晶粒也有所报道。然而，增材制造镁合金中的等轴晶形成机理仍不明晰（成分过冷引起的CET转变还是动态再结晶）。增材制造镁合金的相结构非常复杂，并随合金元素、热处理工艺和成形参数的变化而变化。根据目前发表的研究，Mg17Al12是Mg-Al系合金中最常见的第二相，这已经达成了共识。而对于Mg-Zn系列合金，尽管Mg7Zn3和MgZn2相均有报道，但哪一种第二相占主导地位仍存在争议。此外，Mg-RE系列合金中相结构不明晰，不同的研究工作中表征出了不同类型的第二相，并且后热处理过程中第二相的演化规律不明确，对原生相的溶解行为和新相的析出行为缺乏深入的认识。

表2 选区激光熔化Mg-RE系合金沉积态和热处理态组织中的第二相。

(4) 增材制造镁合金的力学性能和强韧化机制：电弧增材制造镁合金通常比选区激光熔化镁合金表现出更高的强度和更低的延展性。此外，增材制造试样会存在力学性能的各向异性，这可能是由于沿沉积方向的不均匀显微结构以及可能形成的柱状晶粒所导致。增材制造镁合金的强韧化机制与传统镁合金几乎相同，其中细微差别体现在前者晶粒尺寸更小、位错含量更高，从而导致更显著的晶界强化和应变强化效应。

图2 增材制造镁合金的室温拉伸性能。

表3 增材制造镁合金的室温拉伸性能各向异性。

(5) 增材制造镁合金的耐蚀性能：增材制造镁合金的耐蚀性能不好，且存在较大波动。增材制造镁合金的腐蚀机理与传统镁合金相似。然而，晶粒尺寸对耐腐蚀性能的影响仍存在争议。增材制造镁合金（包括块体和支架）的耐腐蚀性能目前难以满足实际应用的要求。相成分优化和表面改性对于提高耐腐蚀性和生物相容性至关重要。

图3 文献中报道的不同成分增材制造镁合金的最佳耐腐蚀性能。

(6) 增材制造镁合金的应用：目前增材制造镁合金的实际工业应用还十分有限。但是考虑到镁合金自身极低的密度以及优异的生物相容性，结合增材制造技术带来的结构与组织的可设计性，相信增材制造镁合金会在未来各个领域中有广阔的应用前景。

图4 增材制造镁合金零部件：(a) 选区激光熔化镁合金三角扎头，由Fraunhofer ILT制造。(b) 韩国TCT采用选区激光熔化技术制备的耳机外壳。(c) 由Fraunhofer ILT采用选区激光熔化技术制备的可降解多孔Mg支架。(d) 西安理工大学徐春杰教授团队采用电弧增材制造技术制备的镁合金零件。

4. 未来展望

从现有结果可以看出，有关增材制造镁合金的研究还处于起始阶段，对于镁合金的增材制造工艺过程认识还不够深入，进而带来对组织-性能关系及其内在机制的理解尚有欠缺。因此，我们认为未来增材制造镁合金的发展方向涉及从装备到原材料再到组织-性能可设计性的全面推进。例如，装备方面需要考虑如何减少挥发镁元素对成形性的影响；原材料方面需要考虑如何安全地制备出更多种类的镁合金丝材和粉末等。

相关论文信息

Sui S et al. 2023. Additive manufacturing of magnesium and its alloys: process-formabilitymicrostructure-performance relationship and underlying mechanism. Int. J. Extrem. Manuf. 5 042009.

https://doi.org/10.1088/2631-7990/acf254

International Journal of Extreme Manufacturing (中文《极端制造》），简称IJEM。由中国工程物理研究院主管，中国工程物理研究院机械制造工艺研究所（第一主办单位）、大连理工大学、复旦大学等单位共同主办，入选2018年中国科技期刊国际影响力提升计划。期刊致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。2023年JCR最新影响因子14.7，位列工程/制造学科领域第一。中国科学院分区工程技术1区。

期刊网址：https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990