天津工业大学郑洋团队：高性能镁合金增材制造技术研究进展丨JME封面文章

引用论文

郑洋, 赵梓昊, 刘伟, 余政哲, 牛伟, 雷贻文, 孙荣禄. 高性能镁合金增材制造技术研究进展[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 385-400.

ZHENG Yang, ZHAO Zihao, LIU Wei, YU Zhengzhe, NIU Wei, LEI Yiwen, SUN Ronglu. Research Progress in High-performance Mg Alloys Prepared by Additive Manufacturing[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(7): 385-400.

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镁合金在航空航天、轨道交通、新能源、生物医用等领域具有广阔应用前景，增材制造技术(Additive manufacturing)的发展为成形复杂结构的高性能镁合金构件提供了可能。然而，镁合金熔沸点低、蒸气压高、氧化性强的特点易使增材制造构件内部形成孔隙、裂纹、夹杂物等缺陷，导致增材制造镁合金的应用水平远远落后于高温合金、铝合金、钛合金等材料，开发适用于镁合金的增材制造技术并通过材料改性与工艺优化减少冶金缺陷是突破增材制造镁合金应用瓶颈的关键。镁合金增材制造技术主要有激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)、电弧增材制造(Wire arc additive manufacturing, WAAM)以及搅拌摩擦增材制造(Friction stir additive manufacturing, FSAM)和搅拌摩擦沉积增材(Additive friction stir deposition, AFSD)。天津工业大学郑洋团队通过归纳梳理镁合金增材制造技术的研究现状与技术进展，总结了镁合金在不同增材制造技术成形过程中的数值模拟研究结果，对比分析了不同增材制造技术关键工艺参数对镁合金构件组织结构和力学性能的影响，并对镁合金增材制造技术未来的研究重点进行了展望 。

本文作为《机械工程学报》2024年第7期的封面文章发表，期望相关工作为增材制造技术发展提供参考 。

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行业现状

• 镁合金的优势与挑战：镁合金具有低密度、高比强度、良好力学性能等优点，并广泛应用于航空航天、轨道交通、新能源等领域。然而，镁合金化学性质活泼，传统成形工艺难以获得理想效果，因此需要新的制造技术。

• 增材制造技术的潜力：增材制造技术（AM）因其可以成形复杂结构的高性能镁合金构件，成为解决这一问题的突破口，尤其是激光选区熔化（SLM）、电弧增材制造（WAAM）和搅拌摩擦增材制造（FSAM）技术。

• 工艺特点对比：文中通过表格比较了SLM、WAAM和FSAM的原料形态、热源、能量效率、成形质量等工艺特点，说明各技术的优劣。

• 增材制造面临的挑战：镁合金增材制造存在容易形成孔隙、裂纹等缺陷的问题，限制了其应用。优化材料和工艺是解决这些问题的关键。

  研究展望：本文将进一步总结镁合金增材制造技术的研究现状、分析不同工艺对组织结构和力学性能的影响，并展望未来研究方向。

图1 镁合金增材制造构件的实物图

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镁合金 SLM 增材制造技术

• 镁合金SLM增材制造技术概述：SLM技术通过高能激光融化金属粉末，形成高精度、高致密度的金属零件，主要分为铺粉型和送粉型。

• SLM成形过程的数值模拟：研究通过数值模拟预测SLM过程中熔池的温度分布和能量传递，优化工艺参数，如激光功率和扫描速度，影响镁合金成形质量。

• SLM镁合金的微观组织：AZ系列和ZK系列镁合金在SLM成形后表现出独特的微观组织，具有细小的晶粒和析出相，显著优于铸态镁合金。SLM技术可以通过调控能量密度、扫描速度和间距来优化微观组织。

• SLM镁合金的力学性能：SLM技术能够提高镁合金的力学性能，某些工艺条件下其性能甚至超过传统锻造态镁合金。关键工艺参数（如能量密度和扫描速度）对材料的强度和延展性有显著影响。

• SLM镁合金性能的优化：为解决致密度较低和内部缺陷问题，热机械处理如热等静压（HIP）和固溶处理能够改善材料的微观组织，显著提高材料的力学性能。此外，增加镁合金粉末的激光吸收率（如掺入碳纳米管）也可提升材料性能。

图2 SLM 工作原理图

图3 SLM-ZK60 镁合金的微观组织和元素分布特征

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镁合金 WAAM 增材制造技术

• WAAM增材制造技术概述：WAAM（电弧法熔丝沉积成形）通过电弧或等离子弧作为热源熔化金属丝材，逐层堆叠构造三维金属构件，特别适用于AZ系列镁合金。

• WAAM成形过程的数值模拟：尽管研究较少，但已有研究通过模拟分析了焊丝抽送、熔滴形成及熔池形态，发现马兰戈尼效应是影响熔池形态的重要因素。

• WAAM镁合金的微观组织：AZ系列镁合金（如AZ31、AZ91、AZ80）的组织结构在WAAM成形后表现出显著的分层现象。不同工艺参数（如旁路电流、焊接速度、送丝速度）对材料的晶粒尺寸和组织形貌有显著影响。

• WAAM镁合金的力学性能：不同工艺条件下，AZ系列镁合金在屈服强度、抗拉强度和延伸率等力学性能上表现出明显的各向异性。通过优化工艺参数可以提高镁合金的力学性能。

• WAAM性能优化：调整工艺参数对性能提升有限，后续处理如固溶处理和随焊滚轧处理能够显著改善材料的力学性能和微观组织，降低晶粒尺寸并减少缺陷。

图4 CMT 的工作原理示意图

图5 WAAM- AZ80M 不同区域的微观组织特征

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镁合金搅拌摩擦增材制造技术

1搅拌摩擦成形过程的数值模拟

• 工作原理：FSAM技术的工作原理类似于多层板的搅拌摩擦搭接焊（FSLW），通过叠加板材并执行FSLW工艺实现增材制造。数值模拟主要用于优化工艺参数，如搅拌头转速和板材层数对焊材流变行为和温度场的影响。

• 关键研究：李如琦等人建立了FSAM成形多层AZ31镁合金薄板的计算流体力学模型，研究了搅拌头转速和板材层数对焊材流动和应变率的影响。研究结果显示，搅拌区的应变率和再结晶晶粒尺寸随搅拌头转速增加而增大，搅拌区晶粒尺寸则随板材层数增加而减小。

• 微观组织研究：WLODARKSI等通过研究FSAM成形后AZ31镁合金的微观组织发现，不同分层受到的热循环和搅拌程度不同，导致晶粒尺寸差异较大。这与动态再结晶过程密切相关。

• 性能优化：PALANIVEL等优化了WE43镁合金的FSAM工艺，指出成形缺陷对热输入非常敏感。通过动态再结晶形成的细晶组织和时效处理析出的沉淀相能够显著提升力学性能，最终获得了抗拉强度为400 MPa、延伸率为17%的高质量构件。

图6 搅拌摩擦增材制造技术的工作原理示意图

图7 AFSD-WE43镁合金沿成形方向的硬度分布以及晶粒结构的变化

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结论与展望

以SLM、WAAM、FSAM为代表的金属增材制造技术具有制造周期短、材料利用率高、可精确调控构件组织和性能等优点，是成形复杂结构高性能镁合金零部件的有效手段。目前对于SLM镁合金和WAAM镁合金成形工艺-组织结构-力学性能之间构效关系的研究较为深入，对于FSAM镁合金的研究逐渐受到关注。然而，镁合金增材制造构件的应用水平明显落后于钢铁、铝合金、钛合金、高温合金等金属材料，开发更适合的增材制造技术并通过材料改性与工艺优化来改善构件质量是镁合金增材制造技术的研究热点，未来的研究应重点关注以下问题：

（1）随着增材制造镁合金在航空航天、轨道交通、新能源、生物医用等领域的应用范围不断扩大，传统基于粉末冶金工艺开发的商用牌号镁合金粉末无法很好满足增材制造技术的特殊要求，迫切需要开发增材制造专用的具有特定成分、形貌和粒度的镁合金粉末体系，同时完善原材料的评价方法。

（2）增材制造技术直接制备的镁合金构件往往存在一定的孔隙、裂纹、夹杂物等缺陷，有必要开发适当的后处理工艺，通过表面改性、热加工变形等方法改善构件的组织结构来提高其综合力学性能，以适应更加严苛的使用条件。

（3）现阶段对于增材制造镁合金服役性能的研究主要集中在力学性能，考虑到构件在实际服役过程中可能同时受到载荷与腐蚀的耦合作用，后续应加强对构件腐蚀行为、应力腐蚀行为、腐蚀疲劳行为的研究，以应对不同的服役工况。

（4）影响增材制造镁合金组织与性能的工艺参数较多，目前采用的工艺优化思路主要是通过大量实验的尝试，费时费力且难以取得最佳的优化效果，建议采用数值模拟与实验验证相结合的方法，建立不同增材制造工艺的基础数据库，为优化工艺参数提供合理依据 。

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作者及团队介绍

郑洋， 硕博连读毕业于北京航空航天大学，在河北工业大学完成博士后研究工作，现为天津工业大学副教授。入选天津市高校“青年后备人才支持计划”，主持天津市自然科学基金面上和青年项目、河北省高层次人才资助项目，参研国家重点研发计划、国家自然科学基金重点和面上项目。发表SCI/EI论文40余篇（以第一和通讯作者身份发表20余篇）；以第一发明人身份获得授权国家发明专利8项。担任Additive Manufacturing Frontiers、特种铸造及有色合金、金属加工（热加工）、表面工程与再制造等期刊青年编委。

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主创作者团队主要研究方向

主要研究方向为金属材料表面改性技术、增材制造技术以及先进焊接技术。

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作 者：郑 洋

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：张 强

审 核：张 强

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