六校联合镁合金顶刊综述:镁合金增材制造的最新进展与展望

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镁合金在轻量化和先进设备的背景下仍然至关重要。镁(Mg)的利用率逐年增加,表明对其镁基合金的需求不断增长。增材制造(AM)提供了直接制造网形组件的可能性,为使用镁合金提供了新的可能性和应用,并为利用“3D打印”带来的新型物理结构提供了新的前景。

澳大利亚国立大学、新加坡制造技术研究所、中国湖南大学、美国麻省理工学院等六所国内外研究机构在综述论文中全面探索了镁合金增材制造,包括所用工艺和测量性能(与常规制备的镁合金进行比较),增材制造镁合金的挑战和可能性在机械冶金领域得到了批判性的阐述。

本期谷.专栏将分享这一综述论文所探讨的主要内容。

Article_Material_Mg_1论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956722000688#fig0011Recent

block 镁合金增材制造的应用价值

限制以及突破

镁(Mg)具有最低的密度(1.74克/厘米)3),其密度约为铝合金的65%,钛的密度的38%,钢的密度的25%。镁合金的高比强度使其成为汽车、消费电子和航空航天应用中轻量化的有吸引力的材料。镁合金也是可生物降解的,并且具有类似于人体骨骼的弹性模量(∼45 GPa)。镁离子(毫克)2+)是人体内许多生化反应所必需的,它们增强新陈代谢并介导成骨细胞增殖。因此,镁合金也被考虑用于医疗领域,例如骨科,颌面应用和心脏病学。迄今为止,>95%的镁合金产品是通过铸造(包括压力压铸)生产的,而锻造镁合金的应用有限,主要是由于在室温下成型性和加工性不足。

镁合金的增材制造(AM)在材料界越来越受到关注,因为增材制造使传统制造无法实现的设计能力,并且可能还有迄今未知的材料性能。增材制造具有几个独特的优势,例如设计自由度(和拓扑优化)、最小的资源浪费和更少的能源使用。此外,增材制造克服了传统制造路线的局限性。高精度生产复杂内部和外部几何形状的能力使开发精确的几何特征成为可能(参见图1中的复杂晶格几何形状)。设计自由度使人们能够通过拓扑优化和使用自由空间作为设计变量,使最轻的工程金属更

Article_Material_Mg_2图 1. 激光粉末床熔化增材制造设备制备的:“Mg”形状的晶格结构,材料为Mg合金WE43(图片由Meotec GmbH和Dr.M. Esmaily提供)。

此外,如果用作生物材料,具有大表面积的组分将促进细胞生长,增殖和骨再生;或者如果用作Mg电极,则提供显著的反应区域。镁合金增材制造技术有望满足骨科和血管外科对高性能可生物降解植入物的高需求,并使制造患者专用和拓扑优化的植入物在技术上可行。对工艺参数的精确控制可以生产出具有定制微观结构和性能的合金。最近的研究已经证明了这一点,这些研究报告使用各种增材制造技术成功生产了具有增强性能的新型Al,Fe和Ti基合金。

Implants_Valley© 3D科学谷

迄今为止,增材制造镁合金领域的研究一直受到限制。这可能部分是由于镁(在大气条件下)的反应性质,除了有关镁粉的氧化,蒸发和处理的其他问题外,还引起了健康和安全问题。

然而,正如自2010年以来的研究成果(图2)所示,激光粉末床熔化(LPBF)增材制造过程中的风险控制已经显示出显著的进步,可安全地制造不同成分的镁合金。

Article_Material_Mg_3图 2. 时间轴显示了镁金属粉末增材制造研究和开发的历史背景,揭示了镁/镁合金增材制造科学研究的里程碑。

需要采取的防护措施包括:(1)在防火安全储罐中处理/储存镁合金粉末并适量;(2)对可能需要采取控制措施的人员培训进行培训;(3)准备和清洁LPBF 增材制造设备的过滤器和处理室,包括去除静电放电等所有潜在的点火原因;(4)在增材制造之前和期间控制反应气体。

除了安全问题外,另一个限制激光粉末床熔化镁合金增材制造发展的问题是Mg粉末的质量一致性。Mg粉末的性质不断变化,因此制造人员难以找到固定的LPBF 3D打印参数。

除了基于激光粉末的增材制造外,增材制造界还探索了多种镁合金增材制造方法,包括基于粘结剂喷射/材料挤出工艺的间接金属增材制造技术,线弧增材制造(WAAM)技术,搅拌摩擦加工和喷墨方法。尽管其中有的方法是否可以被视为“增材制造” 仍存在争议,但本综述研究团队仍然接受这些技术在一般意义上遵循“增材制造”策略,因此在研究中也将这些技术纳入了综述。

根据本综述论文的报道,尽管目前业界已经发表了关于镁增材制造的综合综述,但镁合金增材制造中的成分 -加工-微观结构-性质关系尚未得到系统的探索(或建立)。造成这种情况的一个主要原因是增材制造镁合金的微观结构 – 性能关系的结果在不同的报告中揭示了一些差异。本综述目的是总结增材制造镁合金的最新进展,系统地研究和批判性地分析迄今为止报告的结果;并揭示控制增材制造镁合金微观结构和性质的关键因素;讨论镁合金增材制造面临的一些挑战,并提供未来的展望。

本综述论文指出,在众多增材制造技术路线中,实际生产中的应用将与生产路线的选择相关。例如,除激光粉末床熔化增材制造工艺以外,大多数增材制造镁合金制造技术不适合生物医学应用。相反,基于激光粉末床熔化工艺的镁合金增材制造在尺寸上受到了限制。

综述论文指出,增材制造镁合金的前景是巨大的,但目前仍然存在许多有待研究的问题。其中一个例子,是增材制造镁合金的延展性是否受到位错密度或残余应力的不利影响?是否对增材制造镁合金的位错密度进行了适当的研究,以及如何与其他六方合金(如钛合金)相比性能?在总是发生一些蒸发的情况下,激光粉末床熔化增材制造镁合金的凝固将是怎样的?

block 激光粉末床熔化镁合金增材制造技术

l LPBF 镁合金增材制造的特点

综述论文谈到了激光粉末床熔化工艺中镁合金存在的较低蒸发温度问题,Mg 的蒸发点为 1091°C,而 Al 和 Ti 的蒸发点分别为 2470°C 和 3287°C,并谈到了镁合金的这一特点对工艺参数的影响。

Article_Material_Mg_4图 4. 镁的蒸发速率和各种温度下AZ91D熔池中的合金元素比(分别为Al、Zn和Mn的蒸发速率)。

除了蒸发之外,孔隙度也是所有激光粉末床熔化增材制造金属材料所需要考虑的共同问题。综述论文总结了,工艺参数对镁合金孔隙率的影响。

Article_Material_Mg_5图 5.(a) 加工窗口和相关缺陷的示意图,(b) 迄今为止报告的 LPBF增材制造镁合金能量输入密度函数的相对密度和(c)相对密度高(≥99%)的样本。

孔隙是不可避免的,因此一定程度的孔隙是可以接受的,但必须避免热撕裂和裂纹。

l LPBF 镁合金材料系统

与铸造和锻造合金相比,增材制造镁合金的牌号要少的多。主要原因是增材制造雾化预合金粉末的材料成本明显高出铸造或锻造合金成本。目前,用于增材制造的商业化镁金属粉末材料包括纯镁、AZ91 和 WE43,这些材料具有较大的市场需求,更好的可打印性以及结构和生物医学应用的性能。

纯镁材料

综述论文谈到,重庆大学的研究团队报道过由 LPBF 生产的第一个块状纯镁,该研究使用了两种不同尺寸(26 和 43 µm)的球形粉末。材料由唐山威豪镁粉有限公司提供,该公司为中国的 LPBF 研究提供了大部分粉末。

Article_Material_Mg_6图 6.LPBF中纯Mg的工艺窗口。

镁铝基合金材料

综述论文还探究了学术界对于 LPBF 镁铝基合金 AZ31 低孔隙率水平的研究,有的研究中,达到了低孔隙率水平 (<0.5%) 。AZ61和AZ91 两种镁铝基增材制造镁合金中也实现了如此低的孔隙率水平,证明了Mg-Al 镁铝基合金的可接受的“可打印性”。

Article_Material_Mg_7图 7.LPBF-AZ91合金的EBSD方向图和SEM图像

镁稀土基合金

在镁稀土基合金Mg-RE系统中,WE43合金的增材制造在生物医学植入物应用中得到了最广泛的研究。如前所述,WE43合金具有良好的打印适性,与AZ91合金相比,它具有更大的加工窗口来实现低孔隙率。此外,WE43具有生物相容性,在可生物降解的植入物(如支架)方面引起了更多关注。

镁锌基合金

与Mg-Al和Mg-RE合金相比,尽管锌具有生物相容性,但Mg-Zn基合金受到的关注要少得多。最重要的原因是镁锌基合金Mg-Zn合金的“可打印性”比 Mg-Al和Mg-RE合金差得多,因为Mg-Zn的共晶温度低得多,约为 325°C,因此凝固范围大。只有当锌浓度非常低(例如 ≤1 wt.%)或非常高(例如 ≥12 wt.%)时,才能实现可接受的低孔隙率 。

除了以上谈到的Mg-Al、Mg-RE和Mg-Zn 基合金外,综述论文还研究了 Mg-Ca(预合金粉末)和 Mg-Sn 基合金(混合粉末)。预计这些材料比 Mg-Zn 合金具有更好的“可打印性”,因为它们都具有 Mg-Zn合金更高的共晶温度(Mg-Ca 为 510°C,Mg-Sn 为 466°C)和更窄的凝固范围。步结果看起来两种合金都显示出精细的微观结构,但仍需要提供更全面的研究来了解凝固行为、微观结构演变以及机械和电化学性能。

Article_Material_Mg_8图 9.(a) 激光增材制造的镁合金相对于铸造合金和锻造(轧制和挤压)合金的拉伸性能。拉伸断裂面为(b)Mg-9Al 和(c)WE43 。

Article_Material_Mg_9图10. Mg-Zn-Zr 粉末粘结剂喷射3D打印(a)层厚为100μm且溶液饱和度为70的3D打印生胚样件,(b)生胚中的固体颗粒间桥,使Mg粉末颗粒的快速形成3D成为可能(c)Mg-Zn-Zr 3D打印生胚和已烧结部件的化学分析显示烧结样品中原料的化学成分零和变化。

综述论文还探讨了LPBF增材制造镁合金的性能,包括拉伸性能、电化学耐久性、生物相容性。并在接下来探讨了,粘结剂喷射/材料挤出镁合金间接金属3D打印等其他增材制造技术。

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