上海交通大學(xué)曾小勤教授團隊：增材制造鎂合金的研究現(xiàn)狀與展望

來源： 中國有色金屬學(xué)報

鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有諸多優(yōu)異的特性，例如優(yōu)良的比強度與比剛度、優(yōu)異的阻尼性能、熱穩(wěn)定性和抗電磁輻射性能等，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、電子通訊等領(lǐng)域。隨著工業(yè)界對產(chǎn)品綜合性能要求的進一步提升，流道、拓撲等更加輕量化的零件設(shè)計理念開始嶄露頭角。然而目前鎂合金的成形方式依然主要采用傳統(tǒng)的鑄造、粉末冶金和塑性成形等，這些傳統(tǒng)的加工工藝難以對一體化構(gòu)件內(nèi)部進行加工，無法在部件內(nèi)部構(gòu)建精細流道結(jié)構(gòu)或拓撲結(jié)構(gòu)，限制鎂合金發(fā)揮輕量化的優(yōu)勢與復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成型的潛力。

增材制造技術(shù)是以計算機輔助設(shè)計、材料加工與成形技術(shù)、數(shù)燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積從而獲得實體物品的制造技術(shù)。該方法具有無需模具、快速響應(yīng)、材料利用率高、可成形任意復(fù)雜構(gòu)件等優(yōu)點，這使得過去受到傳統(tǒng)制備方式約束而無法實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造變?yōu)榭赡堋＝�年來，針對鎂合金的增材制造相關(guān)研究也逐步展開，以期突破傳統(tǒng)鎂合金制備工藝對鎂合金發(fā)揮輕量化優(yōu)勢的限制。

選取鎂合金增材制造中研究較為成熟的 SLM技術(shù)與 WAAM技術(shù)，綜述其研究現(xiàn)狀，分析這兩種增材制造工藝的核心參數(shù)及其對材料成形質(zhì)量、微觀組織、以及服役性能的影響，目前取得的研究成果、進展以及每種工藝的優(yōu)勢劣勢，并對其未來研究方向進行展望。

WAAM增材制造無需開模，柔性化程度高，整體制造周期短，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、智能化制造，制造設(shè)備要求低，對設(shè)計的響應(yīng)快，適合于多品種產(chǎn)品制造，依靠電弧增材制造工藝可將制造時間和后加工時間分別減少 40%–60%和 15%–20%，通過合理過程控制可以制造具有優(yōu)良力學(xué)性能的鎂合金。鎂合金 WAAM增材相關(guān)研究目前集中在調(diào)控快速凝固過程中晶粒細化與熱影響區(qū)長大的研究上。利用脈沖電流破碎熔池等方法形成細小的晶粒有助于鎂合金強韌性的提高，減少增材過程中由于熱影響區(qū)導(dǎo)致的柱狀晶，提高了WAAM鎂合金力學(xué)性能的各向同性，如圖1所示。

圖1  不同脈沖頻率下沉積樣品的微觀結(jié)構(gòu)：(a) 500Hz; (b) 100Hz; (c) 10Hz; (d) 5Hz; (e) 2Hz; (f) 1Hz

SLM工藝成形精度更高，表面平整度更好，具有更高的熔體凝固速度，有利于形成細小晶粒，從而提高成形樣件的綜合力學(xué)性能，適合作為高精度，高訂制化的零部件，不僅廣泛用于公共醫(yī)療領(lǐng)域，用于定制可降解的植入體，也常被用來定制航天領(lǐng)域的精細部件。鎂合金粉末的形狀和尺寸對 SLM過程中鋪粉流動性和激光反射的過程起著重要作用，加入高激光吸收率的材料（如碳納米管、石墨烯）可以有效提高鎂合金粉末對激光的吸收率。SLM工藝參數(shù)會影響成型樣件的孔隙率、微觀結(jié)構(gòu)和綜合性能。在SLM成型過程中，不僅要考慮激光功率、掃描速度、掃描間距，層厚分別帶來的影響，也要平衡各參數(shù)，使得能量輸入密度在合理的區(qū)間內(nèi)。表1給出了部分SLM鎂合金使用的加工參數(shù)。

表1 部分SLM鎂合金與鎂基復(fù)合材料SLM增材制造加工參數(shù)

研究結(jié)論
鎂合金增材制造優(yōu)勢突出，前景廣闊。但同時很多問題制約鎂合金增材制造工藝的進一步應(yīng)用與發(fā)展：

（1）基礎(chǔ)研究理論匱乏，缺乏鎂合金打印過程中能量輸入的調(diào)控模型，如過熱熔體反沖壓形成的飛濺；以及快冷過程中微觀組織演化的理論研究；
（2）鎂合金增材制造經(jīng)驗相對匱乏，經(jīng)常存在一定的缺陷，如熱裂紋、氣孔等，需要針對鎂合金開發(fā)專門的SLM成型工藝；
（3）目前尚無適用于增材制造的專用鎂合金原材料，亟需開發(fā)適合增材制造加工的鎂合金成分體系。

團隊介紹
曾小勤，國家杰青，上海交通大學(xué)科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究院院長，材料科學(xué)與工程學(xué)院特聘教授，上海鎂材料及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心主任、中國材料研究學(xué)會理事/青年工作委員會副主任。長期開展先進鎂合金強韌化理論、不銹鎂合金設(shè)計和材料因工程等研究。主持多項國家自然科學(xué)基金、科技部支撐計劃、國家重點研發(fā)計劃。入選教育部“新世紀(jì)人才”和上海市“曙光學(xué)者”、“科技啟明星”計劃。先后發(fā)表SCI收錄論文270余篇，累計他引3479 次，單篇最高他引351次。參與撰寫專著2本，申請發(fā)明專利120余項，授權(quán)國內(nèi)專利60余項，美國專利1項。曾獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎，國家科技進步二等獎，教育部技術(shù)發(fā)明二等獎和國防科技進步二等獎，上海市科學(xué)技術(shù)一等獎，上海市科技進步二等獎。

應(yīng)韜，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副研究員，全國鎂合金青年工作委員會常務(wù)委員，Journal of magnesium and alloys、Corrosion communications青年編委。長期從事不銹鎂合金成分設(shè)計與性能優(yōu)化等研究。近年來承擔(dān)了JKW基礎(chǔ)加強課題，科技部稀土攻關(guān)專項子課題，科技部重點研發(fā)子課題，國家自然科學(xué)面上等多項重要項目。此外，在Nature Communication、Corrosion Science、Journal of power sources等高水平期刊發(fā)表論文22篇，累計他引937次，申請國家發(fā)明專利16項，其中國防專利4項，已授權(quán)10項。

王靜雅，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，中國科協(xié)“青年托舉人才”。長期從事基于集成計算材料工程的高性能鎂合金及鎂基復(fù)合材料設(shè)計，高性能不銹鎂合金研發(fā)。在國內(nèi)外期刊發(fā)表論文總計33篇，包括在Acta Materialia, International Journal of Plasticity等高水平期刊以一作及通訊身份發(fā)表論文21篇，累積他引370次，申請國家發(fā)明專利2項，已授權(quán)1項。長期擔(dān)任Acta Materialia、JMST、CALPHAD等高水平期刊審稿人。近年來主持了國家自然科學(xué)青年基金，博士后面上項目，上海市科委“探索者計劃”、科技部稀土攻關(guān)專項子課題等，參與了國家自然科學(xué)基金重大科研儀器項目、國家重點研發(fā)計劃等多項重要項目。