科学|原创 麻省理工：激光增材制造WE43 镁合金的组织和腐蚀性能研究取得进展
北京联盟_原题是：麻省理工：激光增材制造WE43 镁合金的组织和腐蚀性能研究取得进展
江苏激光联盟导读：来自麻省理工的研究人采用SLM技术进行了WE43镁合金的增材制造 。并对沉积态、热等静压和热处理后的组织和机械性能以及腐蚀性能进行了对比研究 。SLM沉积态的组织得到细化 ， 优化SLM工艺参数之后进行热等静压 ， 其缺陷率小于0.1% 。电化学测试结果表明SLM制造的WE43 比铸造态更易腐蚀 。这是因为富集了富Zr氧化物的原因且均匀分布 ， 同时由于SLM的快速冷却改变了固溶的基材的组织 。氧化物颗粒主要来自粉末 。结果表明SLM制造的Mg合金性能可以得到增强 ， 只要对粉末的粉末特征能够更加充分的理解和控制 。
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图1 AM技术制造镁合金的 发展里程碑
金属的增材制造在制造复杂的设计形状、革新的节约材料方面继续展现出旺盛的生命力 。金属的增材制造将继续见证高速的增长 。据估计 ， 在2024年将达到11 billion美元 。同时 ， 金属的增材制造 ， 不论是制造关键部件还是非关键部件 ， 均表现出极大的优势 。
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a WE43镁合金粉末的新貌图及其用于SLM制造时的成分； b SLM制造的示意图；
c SLM制造镁合金时的扫描策略；d实际制造镁合金的氧含量
在持续探索金属的3D打印和发挥3D打印的应用领域的探索中 ， 对于镁合金的3D打印的探索引起了人们的广泛关注和极大的兴趣 。Mg及其合金最为最轻的工程材料（1.4-2.0g/cm(exp33） ， 同时易于回收再利用、焊接和具有高的比强度 。其重要轻和比强度高这两个优点导致可以制造多种复杂形状的器件 ， 如生物植入体、国防器件和3C产品（指电脑、通讯产品和消费电子） 。在用于植入的生物植入领域 ， AM技术在制造个性化的植入物产品尚已经表现出独特的优势 ， 如钛合金支架 。而这一优势将转移到镁合金上来 。镁合金 ， 不像永久植入物材料 ， 它呈现出独特的生物相容性和具有在体液中降解的特性 ， 这就可以避免植入物的二次手术 ， 对伤者的康复非常有利 。
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a-c铸造WE43镁合金的典型组织 ；d-f EBSD结果；gXRD分析结果
尽管已经有较多的探索进行了镁合金的工艺、显微组织和性能的研究 ， 但关于镁合金的研究报道依然有限 。部分原因在于AM技术制造镁合金比较困难 ， 如镁合金的活性比较强而带来安全方面的影响 ， 同激光作用时易造成过热、汽化和蒸发等 。在普通的环境中就易于燃烧（如在氧气和氮气环境下均可以燃烧） ， 同时相对其他AM制造粉末 ， Mg合金粉末的来源也比较少 。然而 ， 随着AM技术的不断成熟和Mg合金研究与应用的不断深入 ， 安全意识的不断提高和保护措施的不断增强 ， 已经可以实现对镁合金MA技术的有效控制 。图1 为关于镁合金增材制造的发展简史 。
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SLMed、SLM+HIP、SLM+HIP+HT三种不同条件下的EBSD图
直到今天 ， 针对Mg合金的AM制造依然局限于非常少量的镁合金系统 ， 如AZ系和ZK系以及稀土镁合金 。镁合金的AM研究的发展的时间轴（发展简史 ， 见图1）也表明：大多数的镁合金AM制造集中在2010年以后 ， 包括3D打印制造复杂形状的具有特殊用途的生物器件 。最近的研究主要集中在AM制造WE43镁合金上 。WE43 镁合金是一种Mg-Y-RE系合金 。对WE43 镁合金感兴趣的原因在于合金中含大约4wt%的Y和3%的RE（一般是混合Nd、La和Ce ， 同时含小于0.5wt%的Zr ， Zr的作用是细化晶粒） 。含稀土镁合金包括WE43 和WE54 ，具有提高室温和高温机械性能的能力（如拉伸和蠕变） 。这一性能的提高是靠形成了热稳定性比较高的金属相来实现的 。与此同时 ， 耐蚀性和铸造时的合金耐热性（燃点提高）也相应的提高 。
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