鎂合金增材制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)深度解析(2)
時(shí)間：2023-12-12 09:56 來源：上海交通大學(xué)輕合金精密成型國(guó)家 作者：admin 閱讀：次
增材制造鎂合金的組織及性能
（一）鎂合金SLM過程受到多種工藝參數(shù)和材料參數(shù)的影響，這些參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致所制造構(gòu)件的化學(xué)成分、機(jī)械性能和幾何形狀發(fā)生明顯的變化。
目前鎂合金 SLM研究工作主要集中于探究實(shí)驗(yàn)參數(shù)（粉末特征、激光功率密度、掃描速度、脈沖頻率等）對(duì)試樣成形的影響規(guī)律。因此，識(shí)別和關(guān)注重要參數(shù)是很重要的。研究表明激光功率和掃描速度是決定SLM制備鎂合金成形質(zhì)量的重要因素。采用低能量密度（如較小的激光功率和掃描速度）不能使鎂合金粉末完全熔化，形成粉末燒結(jié)，造成高孔隙率和球化現(xiàn)象；隨著能量密度升高，試樣成形得到改善，但較高的能量密度則會(huì)使鎂合金燒損嚴(yán)重，劇烈蒸發(fā)。下表為采用SLM工藝進(jìn)行鎂合金增材制造的成形對(duì)比。
圖：不同材料鎂合金 SLM成形組織對(duì)比
隨著鎂合金的使用范圍與服役環(huán)境日漸擴(kuò)大，鎂合金的缺點(diǎn)也逐漸暴露出來，目前最制約鎂合金廣泛使用的原因之一是其耐蝕性較低，在潮濕環(huán)境下無法長(zhǎng)期服役。鎂合金耐腐蝕性較差的一個(gè)重要原因在于合金中的雜質(zhì)與基體極易形成微電偶腐蝕。當(dāng)合金中雜質(zhì)含量降低小于0.05%時(shí)，腐蝕速率將下降90%。而SLM工藝采用高純粉末成形，在原材料階段避免了雜質(zhì)的引入，因此對(duì)合金腐蝕性能的提升有助益。SLM過程中較高的冷卻速度，有利于合金組織細(xì)化，亦可以提高材料耐腐蝕性能。除此以外，熱處理（HIP等）或其他加工硬化的方式能夠進(jìn)一步提升SLM鎂合金的力學(xué)性能。下表總結(jié)了近年高強(qiáng)
SLM鎂合金的力學(xué)性能。
圖：部分高強(qiáng) SLM增材鎂合金室溫拉伸性能
不過在鎂合金SLM成形過程中，也容易產(chǎn)生氣孔，熱裂紋，未熔化孔隙等缺陷。氣孔形成主要是由于在高激光功率和低掃描速度下產(chǎn)生的小孔效應(yīng)，形成較深的熔池，隨著熔池向前移動(dòng)和熔池凝固，蒸氣來不及析出，形成氣孔。可以使用較大的激光輸入能量，但不蒸發(fā)鎂合金，合理地降低熔融金屬的動(dòng)態(tài)粘度，保證熔融金屬的充分?jǐn)U散，減少粉體飛濺，從而改善層間的潤(rùn)濕性，減少構(gòu)件中的氣孔。鎂的沸點(diǎn)和熔點(diǎn)之間只有440℃，導(dǎo)致SLM過程中鎂合金的劇烈蒸發(fā)，出現(xiàn)粉體飛濺，元素?zé)龘p等問題。鎂對(duì)氧的高親和力是鎂合金SLM的另一個(gè)主要問題，鎂合金的氧化可能會(huì)阻礙層間結(jié)合并導(dǎo)致球化。除了引入污染外，如果氧化層被激光束破壞，它會(huì)沿著鎂合金試樣的晶界積聚，導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。目前減少鎂合金SLM成形構(gòu)件中的缺陷最主要的方式是調(diào)整工藝參數(shù)，其中激光功率和掃描速度是決定SLM制備的鎂合金成形質(zhì)量的重要因素，合適的工藝參數(shù)可以有效減少球化、元素?zé)龘p、氣孔等缺陷。（二）目前關(guān)于鎂合金WAAM的研究大多采用非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)焊（Tungsten Inert Gas Welding, TIG）和熔化極惰性氣體保護(hù)焊（Melt Inert-gas Welding, MIG），電弧熱輸入較大，在增材制造過程中易產(chǎn)生熱積累，隨著沉積層數(shù)增加，上層鎂合金流動(dòng)性增加，試樣普遍呈現(xiàn)出“上寬下窄”的成形特點(diǎn)，下表為鎂合金采用WAAM不同工藝成形對(duì)比。
圖：鎂合金(AZ31)WAAM不同工藝成形組織對(duì)比
在鎂合金WAAM工藝中，氫在鎂合金中的溶解度隨溫度的降低而減小，由于鎂的低密度和WAAM過程的快速冷卻，氣體在凝固過程中無法快速向上移動(dòng)并從熔池中逸出而形成氣孔，類似現(xiàn)象在鋁合金WAAM中也觀察到。通過做好對(duì)焊絲的保存、焊前母材清理以及調(diào)整焊接參數(shù)可對(duì)熔池中的氣體逸出和溶入進(jìn)行控制，比如適當(dāng)提高焊接電流和焊接速度，使熔池中氣體的逸出條件優(yōu)于溶入條件，可減少氣孔的產(chǎn)生。（三）在FSAM過程中，材料發(fā)生塑性流動(dòng)，試樣成形很難得到控制，一般通過改變攪拌頭的轉(zhuǎn)速和焊接速度來控制熱輸入改善試樣宏觀成形。
攪拌頭轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生的熱量越大，導(dǎo)致冷卻過程中的熱應(yīng)力越大，而攪拌頭轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的摩擦熱不足以使材料發(fā)生流動(dòng)。焊接速度過高或過低都會(huì)造成試樣中產(chǎn)生缺陷。因此，成形良好的鎂合金FSAM試樣需要合適的攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度。
圖：WE43鎂合金 FSAW工藝成形組織
孔隙、帶狀組織和鉤狀缺陷等問題常出現(xiàn)于鎂合金FSAM成形構(gòu)件中。當(dāng)增材制造過程中熱輸入不夠時(shí)，會(huì)造成熔敷金屬的塑性變形不充分，材料流動(dòng)性差，試樣內(nèi)部出現(xiàn)未完全閉合的現(xiàn)象，形成孔隙；當(dāng)熱輸入過大時(shí)，會(huì)造成攪拌頭前進(jìn)側(cè)的材料膨脹溢出，回填不充分，形成孔隙；當(dāng)采用不帶螺紋的柱狀或者錐狀攪拌頭時(shí)，也會(huì)造成材料塑性變形不充分，形成孔隙。鉤狀缺陷和帶狀組織往往在較高的熱輸入時(shí)產(chǎn)生，且鉤狀缺陷彎曲的方向跟攪拌頭周圍的材料移動(dòng)的方向相一致。下圖為在較高轉(zhuǎn)速下鎂合金FSAM試樣縱切面不同區(qū)域的成形缺陷。可通過合理控制焊接速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度來調(diào)整焊接熱輸入，或者選擇合適的攪拌頭幾何形狀等手段來避免缺陷的產(chǎn)生。
圖：鎂合金FSAM試樣中的缺陷（攪拌頭轉(zhuǎn)速為 1400 rpm、焊接速度為 102 mm/min）
如上所述，微觀組織直接影響著試樣的性能，不同制造工藝的微觀組織存在較大的差異，下表為鎂合金增材制造不同工藝成形試樣的微觀組織（晶粒尺寸、相組成）對(duì)比。由下表可以發(fā)現(xiàn)，由于鎂合金種類比較多，其成分相差較大，在增材制造后相組成各有不同。此外，鎂合金SLM與FSAW相較于WAAM晶粒細(xì)小，這主要是得益于激光快速冷卻以及攪拌摩擦中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而 WAAM由于熱積累嚴(yán)重而導(dǎo)致晶粒粗大。
圖：鎂合金增材制造不同工藝成形試樣微觀組織對(duì)比
增材制造鎂合金面臨的問題與展望
近年來隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的努力，鎂合金在增材制造方面取得了一些成果，相較于傳統(tǒng)成形技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)得非常突出，前景十分廣闊。但是在研究過程中也暴露出了很多問題，這些問題制約著鎂合金增材制造工藝的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展：
（1）基礎(chǔ)研究理論匱乏，由于缺乏鎂合金打印過程中的相關(guān)熱源能量輸入的調(diào)控模型，尤其是對(duì)SLM成形過程中過熱熔體在高能量激光輸入下反沖壓形成的飛濺難以進(jìn)行模擬，以及對(duì)快冷過程中微觀組織演化的模擬研究與理論分析。對(duì)增材制造過程中殘余應(yīng)力以及加工缺陷的研究也多使用低成本且工藝更為成熟的鋼、鋁合金或鈦合金作為研究樣本，對(duì)鎂合金體系關(guān)注較少，導(dǎo)致現(xiàn)有研究難以在鎂合金增材制造的多功能集成優(yōu)化設(shè)計(jì)原理和方法上實(shí)現(xiàn)突破；
（2）受制于安全因素的影響，鎂合金增材制造經(jīng)驗(yàn)依然相對(duì)匱乏，樣件內(nèi)部經(jīng)常存在一定的缺陷，如熱裂紋、氣孔等，目前僅能在成型后通過熱等靜壓的方式部分消除缺陷。鎂合金是熱敏材料，增材制造過程中材料往往存在強(qiáng)烈的物理、化學(xué)變化以及復(fù)雜的物理冶金過程，同時(shí)伴隨著復(fù)雜的形變過程，以上過程影響因素眾多，涉及材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝過程、后處理等諸多因素，這也使得合金增材制造過程的工藝—組織—性能關(guān)系往往難以準(zhǔn)確把握，導(dǎo)致增材制造鎂合金的性能無法充分發(fā)揮。此外，由于鎂合金活潑，增材過程中易飛濺，易開裂的性質(zhì)，需要針對(duì)鎂合金開發(fā)專門的 SLM機(jī)器設(shè)備；
（3）目前尚無適用于增材制造的專用鎂合金原材料（絲材和粉材），現(xiàn)有產(chǎn)品多為現(xiàn)有的商用鑄造牌號(hào)鎂合金，無法充分利用增材制造工藝的高溫快冷特性，設(shè)計(jì)和開發(fā)適合增材制造加工的其他鎂合金成分體系尤為重要；
（4）對(duì)增材制造鎂基復(fù)合材料或鎂基成分梯度合金的關(guān)注度不足。由于增材制造工藝上的特殊性，可以通過不同的鋪粉倉或送絲器生產(chǎn)加工出成分梯度的零件或復(fù)合材料，這一設(shè)想已經(jīng)在鎳合金、鈦合金、高熵合金、鐵-鋁合金均嘗試成功。增材制造鎂基復(fù)合材料與鎂基梯度材料的成功開發(fā)必將更大程度上發(fā)揮鎂合金的減重優(yōu)勢(shì)，拓寬鎂合金的應(yīng)用場(chǎng)景。
隨著鎂合金增材制造技術(shù)逐漸成熟，其革新作用也正日益凸顯，增材制造技術(shù)能夠有效地輔助和加速提升我國(guó)在鎂合金制造與研發(fā)方面的水平，對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)鎂合金資源大國(guó)來說，這將是提升我國(guó)鎂科技的關(guān)鍵機(jī)遇，只有在技術(shù)上處于先進(jìn)水平，才能把我國(guó)的鎂資源優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來，在國(guó)際行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)上占得先機(jī)，加快向工業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。
(責(zé)任編輯：admin)
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