广东省科学院：激光选区熔化实现强韧一体Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金

| 3DScienceValley · 2022/11/09

镁合金因具有优异的比强度，与人骨相似的密度，良好的生物性能和力学性能，在生物医疗方面备受关注，尤其是骨植入体领域对个性化复杂结构需求的日益增长，催生了使用激光选区熔化增材制造技术（Selective Laser Melting, SLM）制备适于骨修复要求的镁合金多孔件。

然而镁合金由于其本身熔沸点低、易氧化、热裂等问题，如何使用激光选区熔化技术制备力学性能优良的镁合金零件一直是现如今研究、应用道路上的“绊脚石”之一。尽管常用的Mg-Al系镁合金因其良好的铸造性能，成为了目前研究学者广泛关注的增材制造镁合金，但现阶段对于SLM 技术所制备的Mg-Al合金的微组织演化过程、力学性能的影响机制并未进行深入研究。

为弥补这一研究空白，广东省科学院等研究机构的学者采用响应面优化方法探究了不同工艺参数对SLM制备Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金组织和力学性能的作用机理，最终优化出SLM成形孔隙率低且强韧性优良的Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金制备方法。

相关研究论文发表在Advanced Powder Materials 期刊

https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100097

创新点

1.SLM Mg-Al-Zn-Mn合金工艺参数理性设计

基于中心复合表面设计（Central composite design, CCD）的响应面方法对SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金进行了系统性探究，从统计学角度出发，汇总并探究了工艺参数（激光功率、扫描速度及铺粉层厚）对SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金样品致密度及显微硬度的影响机制，为增材制造镁合金的参数设计及优化提供了充实的理论指导和科学判据。

图1. 基于中心复合表面设计的响应面法参数优化实验结果

2.揭示了SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金中的微结构演化过程

SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的微观组织主要是由大量细小等轴晶(即α-Mg相)及少量β-Al12Mg17相(约4.96vol.%)构成的。其中，纳米粒子β-Al12Mg17和Al8Mn5诱导产生的晶界强化和沉淀硬化机制是高性能Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金强化的主要促进机制。

图2. SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金XY面与XZ面的EBSD结果

图3. SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的TEM检测结果

3.实现了SLM Mg-Al-Zn-Mn合金强度及韧性的双重提升

由于SLM技术带来的超高冷却速率和固有的自回火效应，促使SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金中获得了大量的超细晶组织和纳米析出颗粒。因此，在细晶强化，固溶强化和纳米析出相强化的共同作用下，获得了强度韧性得到双重提升的SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金材料，其抗拉强度最高可达370MPa，延伸率10.4%，成功步入高强韧镁合金行列。

图4. SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的力学性能

图5.不同工艺制备的生物医用镁合金的拉伸强度-延伸率气泡图

镁合金在植入物领域的应用

启示

该研究通过响应面参数设计理论，开发了Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金少缺陷、高性能的激光选区熔化成形方法，阐述了不同形态的β-Al12Mg17及圆棒状Al8Mn5纳米颗粒增强Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的强化机理，解决了SLM制造镁合金常见的缺陷多、热裂严重等难点问题，获得了一种强度高（UTS=370.2MPa）、韧性好（At=10.4 %）的SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金样品，展现出了SLM制备生物医用镁合金材料在未来骨植入体方面的应用潜力，对增材制造镁合金在实际应用领域的推广具有重大意义。

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