西安交大镁合金顶刊增材制造AZ91D镁合金，性能堪比锻造

　　导读：在全球碳中和的背景下，轻质镁合金的应用越来越有吸引力。在本研究中，选区激光熔化(SLM) 用于实现具有精细等轴晶粒结构的几乎完全致密且无裂纹的 AZ91D 构件。通过改变激光功率和扫描速度，系统地研究了典型孔隙缺陷（气孔、未融合孔和小孔）的形成机制和熔融模式（小孔模式和传导模式）。表征了不同加工条件下孔隙的形态和体积分数。建立了基于熔池深宽比的标准来识别不同的熔化模式。AZ91D 镀层的强度和延展性（高达 340 MPa 的拉伸强度和 8.9% 的均匀伸长率）远远优于铸造部件，可与锻造部件相媲美。采用SLM制备的AZ91D 具有良好的强塑性平衡和可忽略的各向异性主要是由于极细的等轴晶结构（平均晶粒尺寸约为1.2 μm） 以及不连续分布的β-Al12Mg17相。因此，它提供了一种制造具有复杂几何形状的高强度镁合金的替代方法。
　　镁是最轻的金属结构材料之一，其密度分别比铝、钛和铁轻 33%、61% 和 77%。镁合金具有比强度和刚度高、阻尼性能好、电磁屏蔽性能优良、生物相容性和生物降解性突出等优点，被誉为21世纪绿色工程材料之一。随着航空、航天、汽车等行业对节能减排的要求不断提高，同时考虑到对材料性能的要求，镁及其合金在学术界和工业界都得到了广泛的研究. 然而，镁的密排六方 (HCP) 结构导致其在室温下的伸长率低且加工性能差。这些固有的特性极大地限制了它的应用范围。因此，当前的紧迫挑战是探索先进的制造工艺来制造具有改进的机械性能和复杂几何形状的镁合金 。
　　选区激光熔化(SLM) 是一种新兴的增材制造技术，属于广泛的粉末床熔合技术，能够对具有复杂几何特征的样品进行快速原型制作。SLM 工艺的特点是基于零件几何形状的计算机辅助设计 (CAD) 数据，通过高强度激光能逐层熔化和粘合预铺展粉末的选择性区域。在 SLM 过程中，激光束与粉末之间的相互作用时间极短，从而产生具有超高熔化和冷却速率的连续局部熔池（~106-8 K/s)。这种非平衡冶金过程促进了细晶强化和固溶强化等一系列强化机制。正是由于 SLM 技术的独特优势，近年来吸引了越来越多的 SLM制备镁合金研究。 然而，镁元素的固有特性，如低沸点（~1093 C）、高饱和蒸气压和与氧的高亲和力，在 SLM 过程中会导致严重的元素烧毁和蒸发，从而大大恶化力学性能的完整性。
　　迄今为止，关于SLM制备纯Mg、AZ系、ZK系、WE系、Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Ca系和Mg -Gd系镁合金的报道与Al、Ti或Fe合金相比是非常有限的。目前，大部分研究都集中在参数优化、后处理以及纳米粒子或元素添加对微观结构和力学性能的影响。工艺参数对SLM制备ZK系镁合金微观结构、机械性能、生物相容性和生物降解的影响已经得到了详细的研究。 据称，通过 SLM 制备的 ZK 系列镁合金具有良好的力学性能、良好的生物相容性和相对较低的降解率，这使得该类合金在生物医学应用中具有广阔的前景。高成本的 WE 系镁合金包含稀土 (RE) 元素，它们表现出优异的生物相容性。值得一提的是，由 SLM 制备的 WE 系列镁合金也表现出优异的力学性能完整性，这归因于镁基体中的细晶结构和均匀分布的第二相颗粒，以及那些钉扎在晶界处的颗粒。最近，许多研究人员通过搅拌摩擦加工和热处理等后处理改变了 Mg-Gd 系镁合金的微观结构，使强度显著增加，但延伸率随之降低。一些研究人员使用 SLM 在广泛的加工参数范围内研究了激光能量输入对 AZ91D 镁合金的成形性、致密化、微观结构和力学性能的影响，并建立了适当的 SLM 加工图。此外还有通过添加碳纳米管来改变微观结构演变和细化 SLM制备AZ31B 镁合金的晶粒。然而，实验结果表明，由于致密化的急剧恶化，纳米粒子的添加提高了强度，同时削弱了韧性。AZ 系列镁合金由于其合金元素的经济优势而在工业应用中占主导地位。然而，迄今为止已发表的研究尚未深入研究 SLM 过程中镁合金的缺陷类型、熔化模式和晶体织构。此外，目前 SLMed 镁合金试件的强度和韧性都比较差，难以应用于实际工业应用。因此，有必要进一步研究SLM沉积的AZ系镁合金的加工性能和缺陷形成机制 。
　　基于此，西安交通大学机械工程学院制造系统工程国家重点实验室 在目前的工作中，使用优化的SLM参数制造了几乎完全致密且无裂纹的 AZ91D 镁。建立了工艺参数-微观结构和缺陷-机械性能之间的相关性。相关研究成果以题＂Selective laser melted AZ91D magnesium alloy with superior balance of strength and ductility＂发表在增材制造顶刊Journal of Magnesium and Alloys上。
　　链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956722001530
　　图 1 粉末的代表性形态（a）和AZ91D 粉末和 SLMed 样品的XRD 图谱（b）。
　　图 2 SLM工艺中的加工参数和扫描工艺示意图（a）；拉伸试样的尺寸（b）；SLMed 试样的特征方向和平面 (c)。
　　图 3 AZ91D 在不同工艺参数下制造的垂直平面的代表性光学显微照片，左下角标记的值代表相应的致密化(a)、 未熔合孔的 SEM 显微照片(b)、气孔、小孔和相应的局部放大(c) 。
　　图 4 孔隙率与体积能量密度的变化关系。未融合、成形和锁孔区域分别用蓝色、绿色和红色椭圆区域标记。
　　图 5 不同工艺参数下AZ91D合金的熔池尺寸和几何特征。
　　图 6 在相同的激光功率 90 W (a) 和相同的扫描速度 300 mm/s (b) 下制造的 AZ91D 合金的熔池宽度、深度和深宽比。
　　图 7 在相同的激光功率 90 W (a) 和相同的扫描速度 300 mm/s (b) 下制备的样品的完整XRD 图案。
　　图 8 以 300 mm/s 的扫描速度和 90 W 的激光功率制造的 AZ91D 样品的 SEM 显微照片。熔池形态 (a)、熔池与先前沉积层之间的接合线 (b)、热影响区 (HAZ) (c) 和熔池边界 (d)。
　　图 9 垂直平面中熔池及其周围环境的 EBSD 图。SLMed AZ91D镁合金的 EBSD 取向图 (a)、极图 (b)、核平均取向错误 (KAM) 图 (c) 和晶粒尺寸分布 (d) ( P = 90 W, V = 300 mm/s) .
　　图 10 以 300 mm/s 的扫描速度和 90 W 的激光功率制备的 AZ91D 样品的 OM、SEM 显微照片和 EBSD 图。OM 分析 (a)、SEM 显微照片 (b)、热影响区 (HAZ) ( c)、水平面的熔池(d)、EBSD取向图(e)和晶粒尺寸分布(f)。
　　图 11 铸态 AZ91D镁合金和 SLM 制造的 AZ91D 合金在相同激光功率（P = 90 W）或相同扫描速度（V = 300 mm/s）下的代表性工程拉伸应力-应变曲线。三个平行拉伸试验的 YS、UTS 和均匀伸长率 (ELu )的平均值绘制在相应的曲线上，误差条代表相应的标准偏差。
　　图 12 SLM 制造的拉伸样品在P = 90 W 和V = 200 mm/s (a)、P = 90 W 和V = 300 mm/s (b)、P = 90 W 和V = 400 mm/s时的断裂形态(c), P = 90 W 和V = 700 mm/s (d), P = 150 W 和V = 300 mm/s (e), P = 120 W 和V = 300 mm/s (f), P = 70 W 和V = 300 mm/s (g)，P = 50 W 和V = 300 mm/s (h)。
　　基于这些结果，可以总结出以下结论：
　　(1)建立了 SLMed AZ91D 孔隙缺陷与能量密度之间的相关性：超低能量密度导致未融合孔隙，超高能量密度导致小孔孔隙，而气孔几乎是不可避免的。
　　(2)建立了基于熔池深宽比的标准来识别不同的熔化模式。
　　(3)SLMed AZ91D 呈现出具有细等轴晶粒（~1.2 µm）的随机织构，在层间区域、熔池中心和 HAZ 之间仅观察到晶粒尺寸略有变化。
　　(4)在最佳工艺参数下制造的 AZ91D 样品表现出优异的机械性能（UTS 约为 340 MPa，YS 约为 235 MPa，ELu约为 8.9%），高于先前报道的 SLM制备AZ91D 合金以及大多数传统的铸态和锻造 AZ91D。
　　(5)SLMed AZ91D 强度和延展性的优异平衡主要归因于更细的等轴晶粒，以及β-Al12Mg17析出物的不连续分布。