上海交通大学彭立明教授 l 镁合金选区激光熔化增材制造技术研究现状与展望

|3DScienceValley· 2024/02/25

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以下文章来源于金属圈，作者金属学报

选区激光熔化(SLM)增材制造技术由于其加工精度高、制造周期短、材料利用率高等优点，在制备高性能复杂金属构件方面具有广阔的应用前景。镁合金是最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性能好、生物降解性良好等优点。因此，采用SLM技术制备镁合金具有重要的研究价值，有望拓宽镁合金的应用范围。

上海交通大学彭立明教授团队在《金属学报》期刊发表的《镁合金选区激光熔化增材制造技术研究现状与展望》一文，针对镁合金SLM增材制造技术，详细介绍了镁合金粉末制备、SLM工艺参数、冶金缺陷、SLM态的显微组织和力学性能、后处理、镁合金专用SLM设备方面的研究进展，并展望了未来镁合金SLM研究的发展方向。

▲论文链接：
https://www.ams.org.cn/CN/10.11900/0412.1961.2022.00166

图文精选

▲选区激光熔化(SLM)制造GWZ1031K合金产生的蒸发烟尘和宏观裂纹

Evaporative fumes (a) and macro cracks (b) during selective laser melting (SLM) of GWZ1031K alloy

▲匙孔失稳形成气泡的具体过程
The specific process of forming bubbles due to keyhole instability (d1—keyhole depth, d2—mini keyhole depth, Pi —keyhole pore)

总结与展望

本文综述了选区激光熔化增材制造技术制造镁合金的研究进展，详细总结了SLM工艺参数对成形缺陷、显微组织和力学性能的影响规律，阐述了各类冶金缺陷的产生机理及避免方法，并总结了不同后处理方式对显微组织和力学性能的影响规律。目前SLM制造镁合金的力学性能明显优于铸造合金，略低于挤压合金，但是SLM在制备大型复杂构件时具有得天独厚的优势，因此SLM制造镁合金构件时具有极大的工程应用潜力。根据目前的国内外研究现状和发展趋势，未来的镁合金SLM研究需要对以下几方面重点突破。

(1) SLM专用镁合金材料的研发

目前尚无通过验证的商业化SLM用镁合金粉体材料，镁合金粉体材料的标准化和商品化成为限制其SLM研究的主要障碍之一。对于粉末的详细表征，包括化学成分(尤其是O含量)、形貌特征、粒径分布、流动性、空心粉、堆垛密度等，需要建立相应的标准和规范来评价镁合金粉末的质量。目前镁合金的SLM研究主要针对传统的商业化铸造镁合金和高强度Mg-Gd系镁稀土合金，这些合金成分都是针对慢速凝固过程开发设计的，而SLM过程独特的快速凝固非平衡超常冶金条件可能带来新的强化元素和强化相，阐明新的强韧化机理，从而形成新一代SLM专用高性能镁合金材料。

(2) SLM制造镁合金冶金缺陷控制

SLM制造镁合金的主要特点是剧烈的蒸发飞溅，大量的烟尘和对熔池的反冲压力会影响熔池的稳定熔化过程，足够的激光能量输入和有效的气体循环系统能够抑制蒸发飞溅的负面影响，从而实现稳定的成形质量。通过调整工艺参数同时抑制气孔和未熔合缺陷并增大高致密度成形工艺区间窗口具有重要意义。气孔缺陷不可能完全消除，需要通过同步辐射原位拉伸实验明确少量气孔缺陷对力学性能的影响程度。SLM制造镁合金过程中容易累积非常大的热应力，从而形成热裂纹或者冷裂纹，需要明确开裂机制并从工艺参数和化学成分2个角度加以调控。实现粉末制备→前处理→SLM成形→后处理的闭环控制可以有效避免氧化物的形成。Mg的蒸发飞溅必然会导致SLM态的化学成分偏离粉末，需明确工艺参数对化学成分变化的影响规律，从而可以根据最终所需的SLM态化学成分来倒推粉末成分和工艺参数，以及控制元素的选择性烧损来制备新材料或者成分梯度材料。目前SLM制造镁合金冶金缺陷的控制主要通过大量实验来获得最佳工艺参数，缺少对激光与镁合金粉末相互作用的热力学和动力学过程的理解，需要结合数值模拟仿真方法来更好地理解和调控镁合金SLM制造过程，从而控制冶金缺陷和调控显微组织，还需要建立SLM制造镁合金工艺参数-缺陷-显微组织-力学性能的大数据库，用机器学习的方法更有效地进行工艺参数优化和调控显微组织和力学性能。此外，工艺参数会影响成形件的表面质量、尺寸精度以及成形过程的稳定性，有必要开发针对表面质量和尺寸精度的在线监测和智能化控制系统。

(3) SLM态镁合金专用后处理制度的研发

目前还没有去应力退火处理对SLM态镁合金显微组织和力学性能的影响规律的报道，而后处理制度需针对SLM态独特的快速凝固细小非平衡组织而专门优化设计，从而避免后处理过程中SLM态细小晶粒的显著粗化，SLM态镁合金经过后处理后强度和塑性都要得到改善。需要设计一个镁合金成分使其SLM态组织为细小的单相α-Mg过饱和固溶体，SLM态只需简单的T5时效热处理(同时可以消除残余应力)就可析出大量的纳米级强化相，显著的细晶强化和析出强化效应使得SLM-T5态合金具有优异的力学性能。

(4) 镁合金专用SLM设备的研发

镁合金专用SLM设备的研发需从以下2点考虑：抑制Mg的蒸发飞溅或者优化成形腔室内的循环气体的流场来及时去除蒸发烟尘以避免残留在成形腔室内；通过提高基板加热温度(> 200℃)或者基板内部采用隔热材料以及采用激光二极管发射的强度均匀的成形光进行上加热来减小温度梯度、增加一束激光用于在线消除热应力、引入3D激光冲击喷丸等来减小热应力累积从而避免变形开裂现象的产生。

(5) SLM制造高强度高模量耐热镁基复合材料

SLM制造镁基复合材料的研究报道较少，SLM过程微小熔池的超常冶金条件有利于添加一些常规铸造工艺难以添加甚至无法添加的高模量或者耐热增强相，采用球磨、干法或湿法包覆工艺都比较容易实现亚微米或者纳米级增强相的均匀分散，SLM过程熔池内部的Marangoni对流效应也会促进增强相的均匀分布，最终获得Mg基体加均匀分布高模量耐热增强相的镁基复合材料，需阐明镁基复合材料的强化机制、弹性模量提升机制和耐热机制，高模量和耐热对于航空航天、军工装备等领域的应用具有重要价值。

(6) SLM制造镁合金的应用

目前SLM制备镁合金生物医用植入物的研究在动物实验阶段，尚未取得临床应用。SLM制备航空航天、军工装备和轨道交通等领域的高性能复杂镁合金结构件还鲜有报道，制备实体零件的尺寸越大，变形开裂就越严重，需要加以重视。未来航空航天等领域对构件的要求不再是均匀的化学成分、显微组织和力学性能，同一个构件不同部位可能需要不同的密度、强度、模量等，而SLM技术有利于实现常规铸造无法实现的功能梯度材料的制造。通过优化材料成分、制造工艺、改进设备、降低成本等方面最终有望实现SLM制造镁合金的应用。

论文引用信息：
彭立明, 邓庆琛, 吴玉娟, 付彭怀, 刘子翼, 武千业, 陈凯, 丁文江. 镁合金选区激光熔化增材制造技术研究现状与展望[J]. 金属学报, 2023, 59(1): 31-54
PENG Liming, DENG Qingchen, WU Yujuan, FU Penghuai, LIU Ziyi, WU Qianye, CHEN Kai, DING Wenjiang. Additive Manufacturing of Magnesium Alloys by Selective Laser Melting Technology: A Review[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2023, 59(1): 31-54
DOI:10.11900/0412.1961.2022.00166

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