1. 文章導讀

鎂及其合金具有極低密度、高比強度、高比剛度、優(yōu)異的減振和電磁屏蔽性能以及良好的生物相容性等優(yōu)勢，在航空航天、武器國防、汽車能源、電子產(chǎn)品和醫(yī)用植入物等領域展現(xiàn)出光明的發(fā)展和應用前景，被廣泛認為是21 世紀最理想的綠色材料。近年來，隨著“雙碳”目標的提出以及我國高端裝備大型結(jié)構(gòu)件對材料輕質(zhì)化、多功能化和高性能化需求的提高，基于結(jié)構(gòu)-功能協(xié)同優(yōu)化的先進鎂合金材料的成分設計、快速制備與產(chǎn)業(yè)化推廣越來越受到來自科學界和工程界的關注。

增材制造是當前快速發(fā)展的一項革命性技術，其計算機輔助“逐點、逐線、逐層”成形特征所帶來的材料浪費少、幾何設計和優(yōu)化自由度高、高度集成和多功能制造以及加速產(chǎn)品迭代等相較于傳統(tǒng)制造工藝的顯著優(yōu)勢，使其在先進鎂合金材料制備中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，由于增材制造是一種周期性、非穩(wěn)態(tài)、循環(huán)加熱和冷卻條件下的非平衡快速凝固過程，增材制造鎂合金組織往往呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)加工組織的新穎特征。因此，為了加快增材制造技術在鎂合金成形中的應用，以及促進增材制造專用鎂合金的快速發(fā)展，亟需對鎂合金的增材制造工藝-組織-性能關系及其內(nèi)在機制進行探索和研究。

近期，西安理工大學徐春杰教授團隊，“諾貝爾化學獎得主”、以色列理工學院丹?謝赫特曼教授及合作者在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表《Additive manufacturing of magnesium and its alloys: process-formability-microstructure-performance relationship and underlying mechanism》的綜述文章，在對工藝參數(shù)、成形質(zhì)量、顯微組織和性能之間的關系進行全面系統(tǒng)回顧的基礎上，分析并討論了缺陷出現(xiàn)和消除、相結(jié)構(gòu)形成和演變以及性能優(yōu)化的內(nèi)在機制，并對未來發(fā)展方向進行了展望。

關鍵詞：

增材制造；鎂合金；成形質(zhì)量；顯微組織；性能

文章亮點：

?系統(tǒng)討論了鎂及其合金的增材制造工藝-成形性關系，闡明了缺陷形成機理及消除措施；

?分析了增材制造鎂及其合金的晶粒、相結(jié)構(gòu)等組織特征，厘清了組織形成與演化機理；

?總結(jié)了目前增材制造鎂及其合金的性能范圍，討論了組織-性能關系，并在此基礎上揭示了性能優(yōu)化的內(nèi)在機制；

?探討了增材制造鎂合金的潛在應用，展望突出未來的科學研究方向。

        

        圖1 增材制造鎂合金的未來發(fā)展方向。

2. 研究背景

        當前，增材制造鎂合金受到了越來越多的關注。增材制造技術較高的成形自由度以及可定制化的工藝過程，為先進鎂合金材料的發(fā)展帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。國內(nèi)外研究人員探索了電弧增材制造、選區(qū)激光熔化、激光定向能量沉積、攪拌摩擦增材制造和粘結(jié)劑噴射成形等多種增材制造技術在鎂合金成形中的應用。然而，目前研究多集中在電弧增材制造和選區(qū)激光熔化上，這可能歸因于鎂及其合金的兩個主要應用領域，即結(jié)構(gòu)材料和生物醫(yī)用材料。電弧增材制造技術在大型零部件的快速制造方面具有顯著優(yōu)勢，因此電弧增材制造鎂合金相關文獻較多關注力學性能。選區(qū)激光熔化技術有利于制備精細復雜的結(jié)構(gòu)（如點陣結(jié)構(gòu)），因此相關研究主要集中在耐腐蝕性和生物相容性方面。盡管已有多篇綜述性論文對鎂及其合金的增材制造最新進展進行了總結(jié)和討論。但是，有關增材制造鎂合金工藝-成形性-組織-性能關系以及這種關系的內(nèi)在機制尚未得到系統(tǒng)的探索和分析。因此，本文目的是在對增材制造鎂及其合金的工藝-成形性-顯微組織-性能關系進行全面而深入的回顧的基礎上，討論和揭示其內(nèi)在蘊含的科學機理，并突出未來的科學研究方向。

3. 最新進展

        (1) 鎂合金增材制造過程中的元素揮發(fā)：Mg和Zn是鎂合金增材制造過程中的兩種主要揮發(fā)元素?？紤]到含Zn鎂合金中Mg元素的重量百分比遠高于Zn元素的重量百分比，因而后者的汽化會比前者更強烈，導致Mg/Zn比增加。增材制造過程中的元素蒸發(fā)是不可避免的，但可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)來大大減少。

        (2) 增材制造鎂合金中的缺陷：氣孔、未熔合、裂紋和表面球化通常在增材制造加工的鎂合金中觀察到。氣孔的形成與粉末特性（如空心粉末）、相鄰粉末之間的間隙、元素揮發(fā)和匙孔破壞有關。未熔合的出現(xiàn)歸因于能量輸入不足和搭接不充分。熱裂紋和冷裂紋都是由于增材制造過程中快速加熱和冷卻引起的高殘余應力造成的。此外，表面球化的出現(xiàn)通常是由高能量輸入時的液滴/粉末飛濺和低能量輸入時的界面張力引起的。適當?shù)墓に噮?shù)可以消除未熔合和裂紋。經(jīng)過總結(jié)還發(fā)現(xiàn)，電弧增材制造比選區(qū)激光熔化更有利于成形致密鎂合金。

        表1 增材制造鎂合金的致密度匯總。

        

        (3) 增材制造鎂合金的顯微組織特征：大部分增材制造鎂合金通常以等軸晶為主，盡管柱狀晶粒也有所報道。然而，增材制造鎂合金中的等軸晶形成機理仍不明晰（成分過冷引起的CET轉(zhuǎn)變還是動態(tài)再結(jié)晶）。增材制造鎂合金的相結(jié)構(gòu)非常復雜，并隨合金元素、熱處理工藝和成形參數(shù)的變化而變化。根據(jù)目前發(fā)表的研究，Mg17Al12是Mg-Al系合金中最常見的第二相，這已經(jīng)達成了共識。而對于Mg-Zn系列合金，盡管Mg7Zn3和MgZn2相均有報道，但哪一種第二相占主導地位仍存在爭議。此外，Mg-RE系列合金中相結(jié)構(gòu)不明晰，不同的研究工作中表征出了不同類型的第二相，并且后熱處理過程中第二相的演化規(guī)律不明確，對原生相的溶解行為和新相的析出行為缺乏深入的認識。

        表2 選區(qū)激光熔化Mg-RE系合金沉積態(tài)和熱處理態(tài)組織中的第二相。

        

        (4) 增材制造鎂合金的力學性能和強韌化機制：電弧增材制造鎂合金通常比選區(qū)激光熔化鎂合金表現(xiàn)出更高的強度和更低的延展性。此外，增材制造試樣會存在力學性能的各向異性，這可能是由于沿沉積方向的不均勻顯微結(jié)構(gòu)以及可能形成的柱狀晶粒所導致。增材制造鎂合金的強韌化機制與傳統(tǒng)鎂合金幾乎相同，其中細微差別體現(xiàn)在前者晶粒尺寸更小、位錯含量更高，從而導致更顯著的晶界強化和應變強化效應。

        

        圖2 增材制造鎂合金的室溫拉伸性能。

        表3 增材制造鎂合金的室溫拉伸性能各向異性。

        

        (5) 增材制造鎂合金的耐蝕性能：增材制造鎂合金的耐蝕性能不好，且存在較大波動。增材制造鎂合金的腐蝕機理與傳統(tǒng)鎂合金相似。然而，晶粒尺寸對耐腐蝕性能的影響仍存在爭議。增材制造鎂合金（包括塊體和支架）的耐腐蝕性能目前難以滿足實際應用的要求。相成分優(yōu)化和表面改性對于提高耐腐蝕性和生物相容性至關重要。

        

        圖3 文獻中報道的不同成分增材制造鎂合金的最佳耐腐蝕性能。

        (6) 增材制造鎂合金的應用：目前增材制造鎂合金的實際工業(yè)應用還十分有限。但是考慮到鎂合金自身極低的密度以及優(yōu)異的生物相容性，結(jié)合增材制造技術帶來的結(jié)構(gòu)與組織的可設計性，相信增材制造鎂合金會在未來各個領域中有廣闊的應用前景。

        

        圖4 增材制造鎂合金零部件：(a) 選區(qū)激光熔化鎂合金三角扎頭，由Fraunhofer ILT制造。(b) 韓國TCT采用選區(qū)激光熔化技術制備的耳機外殼。(c) 由Fraunhofer ILT采用選區(qū)激光熔化技術制備的可降解多孔Mg支架。(d) 西安理工大學徐春杰教授團隊采用電弧增材制造技術制備的鎂合金零件。

4. 未來展望

        從現(xiàn)有結(jié)果可以看出，有關增材制造鎂合金的研究還處于起始階段，對于鎂合金的增材制造工藝過程認識還不夠深入，進而帶來對組織-性能關系及其內(nèi)在機制的理解尚有欠缺。因此，我們認為未來增材制造鎂合金的發(fā)展方向涉及從裝備到原材料再到組織-性能可設計性的全面推進。例如，裝備方面需要考慮如何減少揮發(fā)鎂元素對成形性的影響；原材料方面需要考慮如何安全地制備出更多種類的鎂合金絲材和粉末等。

        相關論文信息

        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

文章來源：科學網(wǎng)

1. 文章導讀

鎂及其合金具有極低密度、高比強度、高比剛度、優(yōu)異的減振和電磁屏蔽性能以及良好的生物相容性等優(yōu)勢，在航空航天、武器國防、汽車能源、電子產(chǎn)品和醫(yī)用植入物等領域展現(xiàn)出光明的發(fā)展和應用前景，被廣泛認為是21 世紀最理想的綠色材料。近年來，隨著“雙碳”目標的提出以及我國高端裝備大型結(jié)構(gòu)件對材料輕質(zhì)化、多功能化和高性能化需求的提高，基于結(jié)構(gòu)-功能協(xié)同優(yōu)化的先進鎂合金材料的成分設計、快速制備與產(chǎn)業(yè)化推廣越來越受到來自科學界和工程界的關注。

增材制造是當前快速發(fā)展的一項革命性技術，其計算機輔助“逐點、逐線、逐層”成形特征所帶來的材料浪費少、幾何設計和優(yōu)化自由度高、高度集成和多功能制造以及加速產(chǎn)品迭代等相較于傳統(tǒng)制造工藝的顯著優(yōu)勢，使其在先進鎂合金材料制備中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，由于增材制造是一種周期性、非穩(wěn)態(tài)、循環(huán)加熱和冷卻條件下的非平衡快速凝固過程，增材制造鎂合金組織往往呈現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)加工組織的新穎特征。因此，為了加快增材制造技術在鎂合金成形中的應用，以及促進增材制造專用鎂合金的快速發(fā)展，亟需對鎂合金的增材制造工藝-組織-性能關系及其內(nèi)在機制進行探索和研究。

近期，西安理工大學徐春杰教授團隊，“諾貝爾化學獎得主”、以色列理工學院丹?謝赫特曼教授及合作者在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表《Additive manufacturing of magnesium and its alloys: process-formability-microstructure-performance relationship and underlying mechanism》的綜述文章，在對工藝參數(shù)、成形質(zhì)量、顯微組織和性能之間的關系進行全面系統(tǒng)回顧的基礎上，分析并討論了缺陷出現(xiàn)和消除、相結(jié)構(gòu)形成和演變以及性能優(yōu)化的內(nèi)在機制，并對未來發(fā)展方向進行了展望。

關鍵詞：

增材制造；鎂合金；成形質(zhì)量；顯微組織；性能

文章亮點：

?系統(tǒng)討論了鎂及其合金的增材制造工藝-成形性關系，闡明了缺陷形成機理及消除措施；

?分析了增材制造鎂及其合金的晶粒、相結(jié)構(gòu)等組織特征，厘清了組織形成與演化機理；

?總結(jié)了目前增材制造鎂及其合金的性能范圍，討論了組織-性能關系，并在此基礎上揭示了性能優(yōu)化的內(nèi)在機制；

?探討了增材制造鎂合金的潛在應用，展望突出未來的科學研究方向。

        

        圖1 增材制造鎂合金的未來發(fā)展方向。

2. 研究背景

        當前，增材制造鎂合金受到了越來越多的關注。增材制造技術較高的成形自由度以及可定制化的工藝過程，為先進鎂合金材料的發(fā)展帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。國內(nèi)外研究人員探索了電弧增材制造、選區(qū)激光熔化、激光定向能量沉積、攪拌摩擦增材制造和粘結(jié)劑噴射成形等多種增材制造技術在鎂合金成形中的應用。然而，目前研究多集中在電弧增材制造和選區(qū)激光熔化上，這可能歸因于鎂及其合金的兩個主要應用領域，即結(jié)構(gòu)材料和生物醫(yī)用材料。電弧增材制造技術在大型零部件的快速制造方面具有顯著優(yōu)勢，因此電弧增材制造鎂合金相關文獻較多關注力學性能。選區(qū)激光熔化技術有利于制備精細復雜的結(jié)構(gòu)（如點陣結(jié)構(gòu)），因此相關研究主要集中在耐腐蝕性和生物相容性方面。盡管已有多篇綜述性論文對鎂及其合金的增材制造最新進展進行了總結(jié)和討論。但是，有關增材制造鎂合金工藝-成形性-組織-性能關系以及這種關系的內(nèi)在機制尚未得到系統(tǒng)的探索和分析。因此，本文目的是在對增材制造鎂及其合金的工藝-成形性-顯微組織-性能關系進行全面而深入的回顧的基礎上，討論和揭示其內(nèi)在蘊含的科學機理，并突出未來的科學研究方向。

3. 最新進展

        (1) 鎂合金增材制造過程中的元素揮發(fā)：Mg和Zn是鎂合金增材制造過程中的兩種主要揮發(fā)元素?？紤]到含Zn鎂合金中Mg元素的重量百分比遠高于Zn元素的重量百分比，因而后者的汽化會比前者更強烈，導致Mg/Zn比增加。增材制造過程中的元素蒸發(fā)是不可避免的，但可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)來大大減少。

        (2) 增材制造鎂合金中的缺陷：氣孔、未熔合、裂紋和表面球化通常在增材制造加工的鎂合金中觀察到。氣孔的形成與粉末特性（如空心粉末）、相鄰粉末之間的間隙、元素揮發(fā)和匙孔破壞有關。未熔合的出現(xiàn)歸因于能量輸入不足和搭接不充分。熱裂紋和冷裂紋都是由于增材制造過程中快速加熱和冷卻引起的高殘余應力造成的。此外，表面球化的出現(xiàn)通常是由高能量輸入時的液滴/粉末飛濺和低能量輸入時的界面張力引起的。適當?shù)墓に噮?shù)可以消除未熔合和裂紋。經(jīng)過總結(jié)還發(fā)現(xiàn)，電弧增材制造比選區(qū)激光熔化更有利于成形致密鎂合金。

        表1 增材制造鎂合金的致密度匯總。

        

        (3) 增材制造鎂合金的顯微組織特征：大部分增材制造鎂合金通常以等軸晶為主，盡管柱狀晶粒也有所報道。然而，增材制造鎂合金中的等軸晶形成機理仍不明晰（成分過冷引起的CET轉(zhuǎn)變還是動態(tài)再結(jié)晶）。增材制造鎂合金的相結(jié)構(gòu)非常復雜，并隨合金元素、熱處理工藝和成形參數(shù)的變化而變化。根據(jù)目前發(fā)表的研究，Mg17Al12是Mg-Al系合金中最常見的第二相，這已經(jīng)達成了共識。而對于Mg-Zn系列合金，盡管Mg7Zn3和MgZn2相均有報道，但哪一種第二相占主導地位仍存在爭議。此外，Mg-RE系列合金中相結(jié)構(gòu)不明晰，不同的研究工作中表征出了不同類型的第二相，并且后熱處理過程中第二相的演化規(guī)律不明確，對原生相的溶解行為和新相的析出行為缺乏深入的認識。

        表2 選區(qū)激光熔化Mg-RE系合金沉積態(tài)和熱處理態(tài)組織中的第二相。

        

        (4) 增材制造鎂合金的力學性能和強韌化機制：電弧增材制造鎂合金通常比選區(qū)激光熔化鎂合金表現(xiàn)出更高的強度和更低的延展性。此外，增材制造試樣會存在力學性能的各向異性，這可能是由于沿沉積方向的不均勻顯微結(jié)構(gòu)以及可能形成的柱狀晶粒所導致。增材制造鎂合金的強韌化機制與傳統(tǒng)鎂合金幾乎相同，其中細微差別體現(xiàn)在前者晶粒尺寸更小、位錯含量更高，從而導致更顯著的晶界強化和應變強化效應。

        

        圖2 增材制造鎂合金的室溫拉伸性能。

        表3 增材制造鎂合金的室溫拉伸性能各向異性。

        

        (5) 增材制造鎂合金的耐蝕性能：增材制造鎂合金的耐蝕性能不好，且存在較大波動。增材制造鎂合金的腐蝕機理與傳統(tǒng)鎂合金相似。然而，晶粒尺寸對耐腐蝕性能的影響仍存在爭議。增材制造鎂合金（包括塊體和支架）的耐腐蝕性能目前難以滿足實際應用的要求。相成分優(yōu)化和表面改性對于提高耐腐蝕性和生物相容性至關重要。

        

        圖3 文獻中報道的不同成分增材制造鎂合金的最佳耐腐蝕性能。

        (6) 增材制造鎂合金的應用：目前增材制造鎂合金的實際工業(yè)應用還十分有限。但是考慮到鎂合金自身極低的密度以及優(yōu)異的生物相容性，結(jié)合增材制造技術帶來的結(jié)構(gòu)與組織的可設計性，相信增材制造鎂合金會在未來各個領域中有廣闊的應用前景。

        

        圖4 增材制造鎂合金零部件：(a) 選區(qū)激光熔化鎂合金三角扎頭，由Fraunhofer ILT制造。(b) 韓國TCT采用選區(qū)激光熔化技術制備的耳機外殼。(c) 由Fraunhofer ILT采用選區(qū)激光熔化技術制備的可降解多孔Mg支架。(d) 西安理工大學徐春杰教授團隊采用電弧增材制造技術制備的鎂合金零件。

4. 未來展望

        從現(xiàn)有結(jié)果可以看出，有關增材制造鎂合金的研究還處于起始階段，對于鎂合金的增材制造工藝過程認識還不夠深入，進而帶來對組織-性能關系及其內(nèi)在機制的理解尚有欠缺。因此，我們認為未來增材制造鎂合金的發(fā)展方向涉及從裝備到原材料再到組織-性能可設計性的全面推進。例如，裝備方面需要考慮如何減少揮發(fā)鎂元素對成形性的影響；原材料方面需要考慮如何安全地制備出更多種類的鎂合金絲材和粉末等。

        相關論文信息

        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

文章來源：科學網(wǎng)