上海交通大學(xué)曾小勤教授團(tuán)隊(duì)：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(bào)

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(qiáng)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(duì)產(chǎn)品綜合性能要求的進(jìn)一步提升，流道、拓?fù)涞雀�加輕量化的零件設(shè)計(jì)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(duì)一體化構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)行加工，無法在部件內(nèi)部構(gòu)建精細(xì)流道結(jié)構(gòu)或拓?fù)浣Y(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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、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(shí)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(diǎn)，這使得過去受到傳統(tǒng)制備方式約束而無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造變?yōu)榭赡堋＝�年來，針�?duì)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(duì)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(duì)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(jìn)展以及每種工藝的優(yōu)勢劣勢，并對(duì)其未來研究方向進(jìn)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(duì)設(shè)計(jì)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(shí)間和后加工時(shí)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(xì)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(xì)小的晶粒有助于鎂合金強(qiáng)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(xì)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(xì)部件。鎂合金粉末的形狀和尺寸對(duì) SLM過程中鋪粉流動(dòng)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(duì)激光的吸收率。SLM工藝參數(shù)會(huì)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(shí)很多問題制約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，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(yàn)相對(duì)匱乏，經(jīng)常存在一定的缺陷，如熱裂紋、氣孔等，需要針對(duì)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(tuán)隊(duì)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(huì)理事/青年工作委員會(huì)副主任。長期開展先進(jìn)鎂合金強(qiáng)韌化理論、不銹鎂合金設(shè)計(jì)和材料因工程等研究。主持多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金、科技部支撐計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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(jì)劃。先后發(fā)表SCI收錄論文270余篇，累計(jì)他引3479 次，單篇最高他引351次。參與撰寫專著2本，申請(qǐng)發(fā)明專利120余項(xiàng)，授權(quán)國內(nèi)專利60余項(xiàng)，美國專利1項(xiàng)。曾獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)，國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，教育部技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)和國防科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，上海市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，上海市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

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(huì)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(jì)與性能優(yōu)化等研究。近年來承擔(dān)了JKW基礎(chǔ)加強(qiáng)課題，科技部稀土攻關(guān)專項(xiàng)子課題，科技部重點(diǎn)研發(fā)子課題，國家自然科學(xué)面上等多項(xiàng)重要項(xiàng)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(jì)他引937次，申請(qǐng)國家發(fā)明專利16項(xiàng)，其中國防專利4項(xiàng)，已授權(quán)10項(xiàng)。

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(jì)算材料工程的高性能鎂合金及鎂基復(fù)合材料設(shè)計(jì)，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(jì)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(qǐng)國家發(fā)明專利2項(xiàng)，已授權(quán)1項(xiàng)。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(xiàng)目，上海市科委“探索者計(jì)劃”、科技部稀土攻關(guān)專項(xiàng)子課題等，參與了國家自然科學(xué)基金重大科研儀器項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多項(xiàng)重要項(xiàng)目。