首先什么是增材制造？
增材制造（Additive Manufacturing，AM），俗称3D打印，是一种通过逐层添加材料直接制造三维实体的先进制造技术。
核心原理：
基于计算机设计的三维数字模型，将材料（如金属粉末、塑料、陶瓷等）以粉末、液态或丝状形式逐层堆积，最终形成与数字模型完全一致的物理实体。它对应的是传统的减材制造（如切削、铸造，加工时是减少原料的过程），增材制造无需模具或复杂加工流程，它具备高设计自由度：可制造复杂几何结构（如镂空、内部流道），突破传统工艺限制；材料利用率高：废料极少，且可回收重复使用；快速灵活：从设计到生产周期短，支持小批量定制化生产的优点。
Q：那么为什么镁合金要增材制造呢？
彭教授：近些年的增材制造发展得非常快，也是各个国家非常关注的战略性的关键技术，实际上现在已经把它上升到与等材、减材同样的地位了。
镁合金作为最轻的结构材料，加工目前以铸造为主，可能百分之八九十的产品是铸造的；变形占到10-20%。
然而，传统的铸造方法存在冷却速率低、易出现铸造缺陷、设备要求高、设计自由度有限等问题。大型复杂的结构件如何保证各部位的性能均一性是镁合金加工技术面临的挑战，增材制造可以比较好地解决这些问题。
增材制造技术不仅能够克服传统铸造工艺中的许多局限，如减少晶粒粗大和宏观偏析等现象，还能提高材料利用率和产品设计自由度，使得生产形状复杂、性能优异的镁合金部件成为可能。因此，将增材制造应用于镁合金加工，可以为镁合金开辟新的应用场景，尤其是在航空、航天、汽车等对重量敏感且追求高性能的领域，具有重大意义。
Q：镁合金增材制造工艺有什么优势呢？
镁合金的增材制造具有诸多优点：
首先，“三维变二维”意味着设计自由度高，能够加工任意大型复杂形状；
其次，高冷却速率可以让组织细小，从而提高强度。特别是对于镁合金来说，其细晶强化效果比其他金属更为显著，这是因为快速冷却促进了更均匀且细小的晶体结构形成。再者，小熔池凝固使得成分均匀，无宏观偏析，确保了材料质量的一致性。
如何将镁合金材料和增材制造工艺结合起来，能够走通并做好，不仅提高了产品性能，还扩大了应用范围和应用场景。
由于材料利用率很高，不需要切削掉或者留很多的加工余量，这进一步提升了资源利用效率。结合镁合金（密度低、比强度高）与增材制造（高效灵活加工精度高），不仅能显著提升镁合金的力学性能，还能实现“双轻”轻量化效果。因此，这种结合为镁合金在更多领域的广泛应用提供了新的可能性，并实现了拓扑结构优化的设计理念，使复杂结构件的生产成为可能，同时保证了性能的均一性和优异性。
三维变二维：增材制造的过程是将设计的三维模型通过逐层堆叠材料的方式制造出来，每一层可以视为一个二维截面。这个过程实际上是将复杂的三维结构分解成一系列简单的二维层来逐步构建。
具体来说，在进行增材制造时，首先需要通过计算机辅助设计（CAD）软件创建待制造物体的三维数字模型。然后，使用专门的软件将这个三维模型“切片”，生成许多个二维层面的指令集。这些二维层面代表了最终物体在不同高度上的横截面形状。增材制造设备依据这些指令，逐层堆积材料，每堆积一层就相当于完成了设计中的一部分二维“切片”。通过这种方式，层层叠加，最终形成所需的三维实体。
因此，“三维变二维”并不是指降低了维度或者改变了物理性质，而是一种描述如何将复杂三维结构分步实现的方法，即通过处理一系列二维层来完成三维对象的构建。这种方法允许制造出具有复杂内部结构和精细外部细节的对象，这是传统制造方法难以实现的。
高冷却速率：
指的是在材料逐层堆积成型过程中，每添加一层新的材料（通常是通过熔化粉末或丝材等方式），该层会迅速冷却并凝固。这个过程中的冷却速度相较于传统制造方法（如铸造）要快得多。
在增材制造技术中，特别是对于金属材料而言，当激光或其他热源（例如电子束）作用于材料上时，会在极短的时间内在非常小的区域内产生高温，使材料熔化。一旦热源移开或者停止加热，熔化的材料会迅速冷却下来，形成固体结构。由于每次只熔化少量材料，并且热量集中在很小的区域，因此热量散发得很快，导致冷却速率非常高。
这种高冷却速率有几个重要的影响：
细化晶粒：快速冷却可以防止原子有足够的时间排列成较大的晶体结构，从而形成更细小、均匀的晶粒结构。这通常会提高最终产品的机械性能，比如强度和韧性。
减少宏观偏析：高冷却速率有助于保持合金成分的均匀性，减少不同区域之间化学成分的不均匀分布，即所谓的宏观偏析现象。
增强材料特性：对于镁合金等轻质合金来说，高冷却速率带来的细晶强化效果尤为明显，能够显著提升材料的强度和其他力学性能。
总之，“高冷却速率”是增材制造的一个重要特点，它对改善材料微观结构和增强材料性能有着关键作用。
小熔池凝固：
指的是由于热源（如激光或电子束）的高精度和集中性，每次仅能在非常有限的区域内熔化少量材料，从而形成一个小范围的熔池。这个熔池随着热源的移动而迅速凝固，形成零件的一小部分。
以下是对“小熔池凝固”的详细解释：
局部加热：增材制造中使用高能量密度的热源（例如激光或电子束），能够精确地对特定位置的材料进行加热，使得只有这部分材料被熔化，形成了一个相对较小的熔池。
快速凝固：一旦热源移开或者停止提供热量，熔池中的液态金属会迅速冷却并凝固。这种快速的冷却过程有助于形成细小且均匀的晶粒结构，并能有效减少宏观偏析现象。
逐层构建：通过连续不断地形成这些小熔池，并一层一层地堆积材料，最终可以构建出复杂的三维结构。每个小熔池的凝固都为下一个熔池提供了基础，层层叠加直至完成整个零件的制造。
精准控制：小熔池技术允许对材料添加的位置、形状以及大小进行极其精确的控制，这对于制造具有复杂内部结构或精细外部细节的零件至关重要。此外，它还能保证各部分冶金质量的一致性，有助于提升最终产品的整体性能。
优化材料特性：因为熔池尺寸小，所以热量输入也相对较少，这有助于减少热应力和变形，同时也能促进更均匀的成分分布和细化的微观组织，从而提高材料的整体性能。
综上所述，“小熔池凝固”是增材制造过程中一个关键特征，它不仅支持了复杂几何形状的制造，而且对改善材料的微观结构和增强其力学性能有着重要作用。
细晶强化是一种材料科学中的强化机制，它通过细化材料内部的晶粒尺寸来提高材料的整体强度和硬度。根据霍尔-佩奇关系（Hall-Petch relation），材料的屈服强度随着平均晶粒尺寸的减小而增加。这意味着，晶粒越细小，材料就越难以发生塑性变形，从而提高了其强度和硬度。
在增材制造过程中，尤其是使用高冷却速率技术时，熔化的材料迅速冷却并凝固，导致形成非常细小的晶粒结构。这是因为快速冷却过程限制了原子移动的时间和空间，使得它们没有足够的时间排列成较大的晶体结构。结果是形成了大量的细小晶粒而不是少量的大晶粒。这种细小晶粒结构能够有效地阻止位错运动（位错是导致材料变形的主要机制之一），从而增强材料的强度和硬度。
对于镁合金等金属材料而言，细晶强化尤为重要。由于镁合金本身具有较低的密度和较高的比强度，通过增材制造实现的细晶强化可以进一步提升其力学性能，比如抗拉强度、硬度以及耐磨性。此外，细晶强化还能改善材料的其他性能，如延展性和耐腐蚀性。
总的来说，细晶强化是通过减少晶粒尺寸来提高材料机械性能的一种有效方法，尤其适合应用于需要高强度和轻量化的场合，如航空航天、汽车工业等领域。在增材制造中，利用高冷却速率促进细晶强化是优化材料性能的重要手段之一。
撰文：梅艳南
排版：吴姬慧
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