【南京理工大学】镁合金及其复合材料增材制造最新进展:工艺 - 微观结构 - 性能关联研究

主要亮点内容

一、主流增材制造技术特性与应用场景

1. 丝弧定向能量沉积（WA-DED）
   具有高效率、低成本、可制造大型构件的优势，无镁粉使用安全风险，适用于大型复杂镁合金构件批量生产，但面临成型精度控制、微观结构调控及性能稳定性等挑战。其工艺类型包括气体金属电弧焊（GMAW）、气体钨极电弧焊（GTAW）、等离子弧焊（PAW）及冷金属过渡（CMT）技术。
2. 激光粉末床熔融（LPBF）
   具备高精度（光斑直径 < 60μm）和高冷却速率（10⁶~10⁸K/s），适合制造复杂精密结构构件，在航空航天和生物医学领域应用广泛，可制备利于细胞增殖和骨再生的三维互连多孔医用镁支架，但镁合金低熔点、高蒸气压等特性易导致蒸发、球化、孔隙等缺陷。
3. 固态增材制造（SSAM）
   基于搅拌摩擦工程（FSE），包括摩擦搅拌增材制造（FSAM）和增材摩擦搅拌沉积（AFSD），可避免凝固缺陷，制备致密微观结构、低残余应力构件，在功能梯度材料和层状复合材料制备中具有独特潜力，但受工具接触加工限制，复杂曲面成型适应性有限。

二、工艺 - 微观结构 - 性能关联核心发现

1. 微观结构演变规律
   增材制造的多热循环和快速凝固特性导致镁合金构件微观结构异质性，WA-DED 制备的 AZ 系列合金呈现非平衡凝固微观结构，底部区域晶粒更细；Mg-RE 系列合金中稀土元素可显著提升耐热性和高温强度，形成 LPSO 相（长周期堆垛有序结构）等强化相；LPBF 工艺因更小熔池和更快凝固速率，形成更复杂的双峰异质微观结构；SSAM 通过动态再结晶实现晶粒细化，不同区域微观结构受局部温度和应变差异影响。
2. 性能调控机制

• 力学性能：WA-DED 构件力学性能优于传统铸造工艺，Mg-RE 合金的屈服强度通过 intrinsic 晶格摩擦应力、晶界强化、共晶强化、固溶强化、沉淀强化和 LPSO 相强化等六种机制叠加实现；LPBF 构件经时效处理后强度显著提升，WA-DED 和 SSAM 构件均表现出良好的强韧性协同。
• 腐蚀性能：微观结构异质性有助于提升 WA-DED 镁合金耐腐蚀性，稀土元素通过形成稳定氧化膜和连续分布第二相改善耐腐蚀性；LPBF 构件的孔隙、残余应力等因素可能加剧腐蚀，需通过工艺参数调整和后处理优化。
• 生物相容性：LPBF 可定制医用镁合金复杂结构，添加 Zn、Mn、Ca 及低毒稀土元素可降低腐蚀速率，经等离子电解氧化（PEO）等表面改性后，细胞代谢活性和增殖能力显著提升。

三、缺陷控制与性能优化技术

1. 缺陷类型与成因
   熔基增材制造常见缺陷包括溅射、孔隙、元素损失、球化、热裂纹等，与粉末特性、能量输入、路径规划及工艺参数相关；SSAM 存在钩形缺陷、虚焊、多余飞边等问题。
2. 优化策略

• 工艺参数优化：通过调整扫描速度、送丝速度、能量密度等参数，结合路径规划和重叠率控制（如 WA-DED 相邻沉积层重叠率 > 25%）减少缺陷。
• 辅助技术应用：场辅助增材制造（FAAM）包括主动冷却、塑性变形、熔池搅拌等方式，如超声波振动可细化晶粒、消除性能各向异性；激光冲击喷丸（LSP）可引入纳米晶和残余压应力，提升耐腐蚀性。
• 后处理工艺：热等静压（HIP）可改善致密度和疲劳性能；固溶时效处理（T4、T6）可优化沉淀相分布；搅拌摩擦加工（FSP）能细化晶粒、提高构件均匀性；深冷处理（DCT）可降低应力梯度。

四、镁基复合材料增材制造进展

1. 增强体类型
   包括碳化物（SiC、TiC）、氧化物（Al₂O₃、Y₂O₃）、硼化物（ZrB₂）、氮化物（AlN）及金属颗粒（Ti、Cu）等，混合增强体可产生协同效应，提升复合材料综合性能。
2. 制备技术
   WA-DED 通过旁轴送粉、丝粉同轴送料等方式引入增强颗粒；LPBF 可实现增强体均匀弥散分布，显著细化晶粒；FSAM 通过多道次摩擦搅拌实现增强体均匀分布，提升强度和耐磨性。
3. 性能优势
   颗粒增强镁基复合材料在强度、蠕变 resistance、耐磨性等方面显著优于纯镁合金，生物医学领域用复合材料表现出良好的降解阻力和生物相容性。

五、潜在应用领域

1. 交通领域
   用于座椅、仪表盘、传动轴、发动机部件等，可实现 22%~70% 的减重效果，提升车辆燃油效率和行驶性能。
2. 航空航天与军事领域
   制造卫星支架、电子机箱、起落架、导弹舱体等，增强装备机动性和作战能力。
3. 电子领域
   利用优良阻尼和电磁屏蔽性能，用于手机、数码相机、笔记本电脑外壳等。
4. 生物医学领域
   制备血管支架、骨固定装置等生物可降解植入物，稀土镁合金具有抗菌性、骨再生能力及潜在的血管生成和抗肿瘤作用。