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作 者

隋尚，郭帥，馬東，郭燦，武向權，張忠明，徐春杰，Dan Shechtman，Sergei Remennik，Daniel Safranchik，Rimma Lapovok

機 構

西安理工大學

西安謝赫特曼諾貝爾獎新材料研究所

西安市先進鎂合金增材制造與精密成形重點實驗室

聊城大學

以色列理工學院

耶路撒冷希伯來大學

德國機械元件工程設計與制造研究所

迪肯大學

Citation

Sui S et al. 2023. Additive manufacturing of magnesium and its alloys: process-formabilitymicrostructure-performance relationship and underlying mechanism. Int. J. Extrem. Manuf.5042009.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/acf254

撰稿 | 文章作者

01

文章導讀

鎂及其合金具有極低密度、高比強度、高比剛度、優異的減振和電磁屏蔽性能以及良好的生物相容性等優勢，在航空航天、武器國防、汽車能源、電子產品和醫用植入物等領域展現出光明的發展和應用前景，被廣泛認為是21世紀最理想的綠色材料。近年來，隨著“雙碳”目標的提出以及我國高端裝備大型結構件對材料輕質化、多功能化和高性能化需求的提高，基于結構-功能協同優化的先進鎂合金材料的成分設計、快速制備與產業化推廣越來越受到來自科學界和工程界的關注。

增材制造是當前快速發展的一項革命性技術，其計算機輔助“逐點、逐線、逐層”成形特征所帶來的材料浪費少、幾何設計和優化自由度高、高度集成和多功能制造以及加速產品迭代等相較于傳統制造工藝的顯著優勢，使其在先進鎂合金材料制備中展現出巨大潛力。然而，由于增材制造是一種周期性、非穩態、循環加熱和冷卻條件下的非平衡快速凝固過程，增材制造鎂合金組織往往呈現出不同于傳統加工組織的新穎特征。因此，為了加快增材制造技術在鎂合金成形中的應用，以及促進增材制造專用鎂合金的快速發展，亟需對鎂合金的增材制造工藝-組織-性能關系及其內在機制進行探索和研究。

近期，西安理工大學徐春杰教授團隊，“諾貝爾化學獎得主”、以色列理工學院丹?謝赫特曼教授及合作者在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《Additive manufacturing of magnesium and its alloys: process-formability-microstructure-performance relationship and underlying mechanism》的綜述文章，在對工藝參數、成形質量、顯微組織和性能之間的關系進行全面系統回顧的基礎上，分析并討論了缺陷出現和消除、相結構形成和演變以及性能優化的內在機制，并對未來發展方向進行了展望。

關鍵詞

增材制造；鎂合金；成形質量；顯微組織；性能

亮 點

• 系統討論了鎂及其合金的增材制造工藝-成形性關系，闡明了缺陷形成機理及消除措施；

• 分析了增材制造鎂及其合金的晶粒、相結構等組織特征，厘清了組織形成與演化機理；

• 總結了目前增材制造鎂及其合金的性能范圍，討論了組織-性能關系，并在此基礎上揭示了性能優化的內在機制；

• 探討了增材制造鎂合金的潛在應用，展望突出未來的科學研究方向。

圖1增材制造鎂合金的未來發展方向。

02

研究背景

當前，增材制造鎂合金受到了越來越多的關注。增材制造技術較高的成形自由度以及可定制化的工藝過程，為先進鎂合金材料的發展帶來了新的機遇與挑戰。國內外研究人員探索了電弧增材制造、選區激光熔化、激光定向能量沉積、攪拌摩擦增材制造和粘結劑噴射成形等多種增材制造技術在鎂合金成形中的應用。然而，目前研究多集中在電弧增材制造和選區激光熔化上，這可能歸因于鎂及其合金的兩個主要應用領域，即結構材料和生物醫用材料。電弧增材制造技術在大型零部件的快速制造方面具有顯著優勢，因此電弧增材制造鎂合金相關文獻較多關注力學性能。選區激光熔化技術有利于制備精細復雜的結構（如點陣結構），因此相關研究主要集中在耐腐蝕性和生物相容性方面。盡管已有多篇綜述性論文對鎂及其合金的增材制造最新進展進行了總結和討論。但是，有關增材制造鎂合金工藝-成形性-組織-性能關系以及這種關系的內在機制尚未得到系統的探索和分析。因此，本文目的是在對增材制造鎂及其合金的工藝-成形性-顯微組織-性能關系進行全面而深入的回顧的基礎上，討論和揭示其內在蘊含的科學機理，并突出未來的科學研究方向。

03

最新進展

(1)鎂合金增材制造過程中的元素揮發：Mg和Zn是鎂合金增材制造過程中的兩種主要揮發元素?？紤]到含Zn鎂合金中Mg元素的重量百分比遠高于Zn元素的重量百分比，因而后者的汽化會比前者更強烈，導致Mg/Zn比增加。增材制造過程中的元素蒸發是不可避免的，但可以通過優化工藝參數來大大減少。

(2)增材制造鎂合金中的缺陷：氣孔、未熔合、裂紋和表面球化通常在增材制造加工的鎂合金中觀察到。氣孔的形成與粉末特性（如空心粉末）、相鄰粉末之間的間隙、元素揮發和匙孔破壞有關。未熔合的出現歸因于能量輸入不足和搭接不充分。熱裂紋和冷裂紋都是由于增材制造過程中快速加熱和冷卻引起的高殘余應力造成的。此外，表面球化的出現通常是由高能量輸入時的液滴/粉末飛濺和低能量輸入時的界面張力引起的。適當的工藝參數可以消除未熔合和裂紋。經過總結還發現，電弧增材制造比選區激光熔化更有利于成形致密鎂合金。

表1增材制造鎂合金的致密度匯總。

(3)增材制造鎂合金的顯微組織特征：大部分增材制造鎂合金通常以等軸晶為主，盡管柱狀晶粒也有所報道。然而，增材制造鎂合金中的等軸晶形成機理仍不明晰（成分過冷引起的CET轉變還是動態再結晶）。增材制造鎂合金的相結構非常復雜，并隨合金元素、熱處理工藝和成形參數的變化而變化。根據目前發表的研究，Mg17Al12是Mg-Al系合金中最常見的第二相，這已經達成了共識。而對于Mg-Zn系列合金，盡管Mg7Zn3和MgZn2相均有報道，但哪一種第二相占主導地位仍存在爭議。此外，Mg-RE系列合金中相結構不明晰，不同的研究工作中表征出了不同類型的第二相，并且后熱處理過程中第二相的演化規律不明確，對原生相的溶解行為和新相的析出行為缺乏深入的認識。

表2選區激光熔化Mg-RE系合金沉積態和熱處理態組織中的第二相。

(4)增材制造鎂合金的力學性能和強韌化機制：電弧增材制造鎂合金通常比選區激光熔化鎂合金表現出更高的強度和更低的延展性。此外，增材制造試樣會存在力學性能的各向異性，這可能是由于沿沉積方向的不均勻顯微結構以及可能形成的柱狀晶粒所導致。增材制造鎂合金的強韌化機制與傳統鎂合金幾乎相同，其中細微差別體現在前者晶粒尺寸更小、位錯含量更高，從而導致更顯著的晶界強化和應變強化效應。

圖2增材制造鎂合金的室溫拉伸性能。

表3增材制造鎂合金的室溫拉伸性能各向異性。

(5)增材制造鎂合金的耐蝕性能：增材制造鎂合金的耐蝕性能不好，且存在較大波動。增材制造鎂合金的腐蝕機理與傳統鎂合金相似。然而，晶粒尺寸對耐腐蝕性能的影響仍存在爭議。增材制造鎂合金（包括塊體和支架）的耐腐蝕性能目前難以滿足實際應用的要求。相成分優化和表面改性對于提高耐腐蝕性和生物相容性至關重要。

圖3文獻中報道的不同成分增材制造鎂合金的最佳耐腐蝕性能。

(6)增材制造鎂合金的應用：目前增材制造鎂合金的實際工業應用還十分有限。但是考慮到鎂合金自身極低的密度以及優異的生物相容性，結合增材制造技術帶來的結構與組織的可設計性，相信增材制造鎂合金會在未來各個領域中有廣闊的應用前景。

圖4增材制造鎂合金零部件：(a) 選區激光熔化鎂合金三角扎頭，由Fraunhofer ILT制造。(b) 韓國TCT采用選區激光熔化技術制備的耳機外殼。(c) 由Fraunhofer ILT采用選區激光熔化技術制備的可降解多孔Mg支架。(d) 西安理工大學徐春杰教授團隊采用電弧增材制造技術制備的鎂合金零件。

04

未來展望

從現有結果可以看出，有關增材制造鎂合金的研究還處于起始階段，對于鎂合金的增材制造工藝過程認識還不夠深入，進而帶來對組織-性能關系及其內在機制的理解尚有欠缺。因此，我們認為未來增材制造鎂合金的發展方向涉及從裝備到原材料再到組織-性能可設計性的全面推進。例如，裝備方面需要考慮如何減少揮發鎂元素對成形性的影響；原材料方面需要考慮如何安全地制備出更多種類的鎂合金絲材和粉末等。

05

作者簡介

徐春杰

西安理工大學

徐春杰，西安理工大學教授，西安謝赫特曼諾獎新材料研究院執行院長，陜西省高等學?！跋冗M鎂合金材料科學與技術”學科創新引智基地負責人，西安市先進鎂合金增材制造與精確成形重點實驗室主任，西安市院士工作站負責人，全國鑄造標準化技術委員會第七屆委員會(SAC/TC54/SC2)委員，高等學校學科創新引智基地——新能源汽車關鍵材料與構件學科創新引智基地（國家“111”基地）學術帶頭人，“科創中國·西安智庫”材料科學與工程專家，秦創原“科學家+工程師”首席科學家，廣東企業科技特派員，江蘇省產品質量鑒定專家。發表學術論文200余篇，獲得授權國家發明專利60余項，其中30余項國家發明專利已經轉化給相關企業得到了實際應用；主編國家級規劃教材1部，參與編寫專著及教材6部；主持完成了國家機械行業標準“水平連續鑄造鑄鐵型材”（JB/T 10854-2019）的制修訂，起草了中華人民共和國機械行業標準《連續鑄造鑄鐵空心型材》（JB/T 12282-2015）。近5年來，主持了國家和省部級以上項目10余項、省教育廳項目3項，與企業合作項目30余項。先后獲得了陜西省高等教育教學成果獎特等獎一項，陜西省科技技術三等獎一項，陜西省教育廳二等獎一項，福建省人民政府科技進步三等獎二項，福建省三明市科技進步二等獎一項，西安市成果獎一項，2023全國機械行業產教科融合先進工作者；指導的研究生獲第七屆中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽國家級銀獎。

隋 尚

西安理工大學

隋尚，西安理工大學副教授，陜西省秦創原高層次創新創業人才，主要研究領域為金屬增材制造及修復再制造。主持/參與十余項國家級、省部級項目，發表學術論文50余篇，其中ESI高被引論文2篇，ESI熱點論文1篇，授權國家發明專利5件。擔任3本期刊青年編委，中國機械工程學會高級會員，中國材料研究學會高級會員，2023年獲IAAM Scientist Medal，并入選“2023年度全球前2%頂尖科學家榜單”。

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關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(中文《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。

?? 期刊宗旨和欄目（點擊閱讀詳情）

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿: 作者 編輯：范珂艷 審核：關利超

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