极端制造 | 增材制造镁及镁合金：工艺-成形性-组织-性能关系和内在机制

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增材制造；镁合金；成形质量；显微组织；性能

• 系统讨论了镁及其合金的增材制造工艺-成形性关系，阐明了缺陷形成机理及消除措施；

• 分析了增材制造镁及其合金的晶粒、相结构等组织特征，厘清了组织形成与演化机理；

• 总结了目前增材制造镁及其合金的性能范围，讨论了组织-性能关系，并在此基础上揭示了性能优化的内在机制；

• 探讨了增材制造镁合金的潜在应用，展望突出未来的科学研究方向。

当前，增材制造镁合金受到了越来越多的关注。增材制造技术较高的成形自由度以及可定制化的工艺过程，为先进镁合金材料的发展带来了新的机遇与挑战。国内外研究人员探索了电弧增材制造、选区激光熔化、激光定向能量沉积、搅拌摩擦增材制造和粘结剂喷射成形等多种增材制造技术在镁合金成形中的应用。然而，目前研究多集中在电弧增材制造和选区激光熔化上，这可能归因于镁及其合金的两个主要应用领域，即结构材料和生物医用材料。电弧增材制造技术在大型零部件的快速制造方面具有显著优势，因此电弧增材制造镁合金相关文献较多关注力学性能。选区激光熔化技术有利于制备精细复杂的结构（如点阵结构），因此相关研究主要集中在耐腐蚀性和生物相容性方面。尽管已有多篇综述性论文对镁及其合金的增材制造最新进展进行了总结和讨论。但是，有关增材制造镁合金工艺-成形性-组织-性能关系以及这种关系的内在机制尚未得到系统的探索和分析。因此，本文目的是在对增材制造镁及其合金的工艺-成形性-显微组织-性能关系进行全面而深入的回顾的基础上，讨论和揭示其内在蕴含的科学机理，并突出未来的科学研究方向。

(1) 镁合金增材制造过程中的元素挥发：Mg和Zn是镁合金增材制造过程中的两种主要挥发元素。考虑到含Zn镁合金中Mg元素的重量百分比远高于Zn元素的重量百分比，因而后者的汽化会比前者更强烈，导致Mg/Zn比增加。增材制造过程中的元素蒸发是不可避免的，但可以通过优化工艺参数来大大减少。

(2) 增材制造镁合金中的缺陷：气孔、未熔合、裂纹和表面球化通常在增材制造加工的镁合金中观察到。气孔的形成与粉末特性（如空心粉末）、相邻粉末之间的间隙、元素挥发和匙孔破坏有关。未熔合的出现归因于能量输入不足和搭接不充分。热裂纹和冷裂纹都是由于增材制造过程中快速加热和冷却引起的高残余应力造成的。此外，表面球化的出现通常是由高能量输入时的液滴/粉末飞溅和低能量输入时的界面张力引起的。适当的工艺参数可以消除未熔合和裂纹。经过总结还发现，电弧增材制造比选区激光熔化更有利于成形致密镁合金。

(3) 增材制造镁合金的显微组织特征：大部分增材制造镁合金通常以等轴晶为主，尽管柱状晶粒也有所报道。然而，增材制造镁合金中的等轴晶形成机理仍不明晰（成分过冷引起的CET转变还是动态再结晶）。增材制造镁合金的相结构非常复杂，并随合金元素、热处理工艺和成形参数的变化而变化。根据目前发表的研究，Mg₁₇Al₁₂是Mg-Al系合金中最常见的第二相，这已经达成了共识。而对于Mg-Zn系列合金，尽管Mg₇Zn₃和MgZn₂相均有报道，但哪一种第二相占主导地位仍存在争议。此外，Mg-RE系列合金中相结构不明晰，不同的研究工作中表征出了不同类型的第二相，并且后热处理过程中第二相的演化规律不明确，对原生相的溶解行为和新相的析出行为缺乏深入的认识。

(4) 增材制造镁合金的力学性能和强韧化机制：电弧增材制造镁合金通常比选区激光熔化镁合金表现出更高的强度和更低的延展性。此外，增材制造试样会存在力学性能的各向异性，这可能是由于沿沉积方向的不均匀显微结构以及可能形成的柱状晶粒所导致。增材制造镁合金的强韧化机制与传统镁合金几乎相同，其中细微差别体现在前者晶粒尺寸更小、位错含量更高，从而导致更显著的晶界强化和应变强化效应。

(5) 增材制造镁合金的耐蚀性能：增材制造镁合金的耐蚀性能不好，且存在较大波动。增材制造镁合金的腐蚀机理与传统镁合金相似。然而，晶粒尺寸对耐腐蚀性能的影响仍存在争议。增材制造镁合金（包括块体和支架）的耐腐蚀性能目前难以满足实际应用的要求。相成分优化和表面改性对于提高耐腐蚀性和生物相容性至关重要。

(6) 增材制造镁合金的应用：目前增材制造镁合金的实际工业应用还十分有限。但是考虑到镁合金自身极低的密度以及优异的生物相容性，结合增材制造技术带来的结构与组织的可设计性，相信增材制造镁合金会在未来各个领域中有广阔的应用前景。

撰稿: 作者  编辑：范珂艳  审核：关利超