麻省理工：激光增材制造WE43 鎂合金的組織和腐蝕性能研究取得進展

來源：江蘇激光聯(lián)盟聯(lián)盟

來自麻省理工的研究人采用SLM技術進行了WE43鎂合金的增材制造。并對沉積態(tài)、熱等靜壓和熱處理后的組織和機械性能以及腐蝕性能進行了對比研究。SLM沉積態(tài)的組織得到細化，優(yōu)化SLM工藝參數之后進行熱等靜壓，其缺陷率小于0.1%。電化學測試結果表明SLM制造的WE43 比鑄造態(tài)更易腐蝕。這是因為富集了富Zr氧化物的原因且均勻分布，同時由于SLM的快速冷卻改變了固溶的基材的組織。氧化物顆粒主要來自粉末。結果表明SLM制造的Mg合金性能可以得到增強，只要對粉末的粉末特征能夠更加充分的理解和控制。

圖1 AM技術制造鎂合金的 發(fā)展里程碑

金屬的增材制造在制造復雜的設計形狀、革新的節(jié)約材料方面繼續(xù)展現(xiàn)出旺盛的生命力。金屬的增材制造將繼續(xù)見證高速的增長。據估計，在2024年將達到11 billion美元。同時，金屬的增材制造，不論是制造關鍵部件還是非關鍵部件，均表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。

(a)WE43鎂合金粉末的新貌圖及其用于SLM制造時的成分；(b) SLM制造的示意圖；(c)SLM制造鎂合金時的掃描策略；(d)實際制造鎂合金的氧含量

在持續(xù)探索金屬的3D打印和發(fā)揮3D打印的應用領域的探索中，對于鎂合金的3D打印的探索引起了人們的廣泛關注和極大的興趣。Mg及其合金最為最輕的工程材料（1.4-2.0g/cm(exp33），同時易于回收再利用、焊接和具有高的比強度。其重要輕和比強度高這兩個優(yōu)點導致可以制造多種復雜形狀的器件，如生物植入體、國防器件和3C產品（指電腦、通訊產品和消費電子）。在用于植入的生物植入領域，AM技術在制造個性化的植入物產品尚已經表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，如鈦合金支架。而這一優(yōu)勢將轉移到鎂合金上來。鎂合金，不像永久植入物材料，它呈現(xiàn)出獨特的生物相容性和具有在體液中降解的特性，這就可以避免植入物的二次手術，對傷者的康復非常有利。

a-c鑄造WE43鎂合金的典型組織 ；d-f EBSD結果；gXRD分析結果

盡管已經有較多的探索進行了鎂合金的工藝、顯微組織和性能的研究，但關于鎂合金的研究報道依然有限。部分原因在于AM技術制造鎂合金比較困難，如鎂合金的活性比較強而帶來安全方面的影響，同激光作用時易造成過熱、汽化和蒸發(fā)等。在普通的環(huán)境中就易于燃燒（如在氧氣和氮氣環(huán)境下均可以燃燒），同時相對其他AM制造粉末，Mg合金粉末的來源也比較少。然而，隨著AM技術的不斷成熟和Mg合金研究與應用的不斷深入，安全意識的不斷提高和保護措施的不斷增強，已經可以實現(xiàn)對鎂合金MA技術的有效控制。圖1 為關于鎂合金增材制造的發(fā)展簡史。

SLMed、SLM+HIP、SLM+HIP+HT三種不同條件下的EBSD圖

直到今天，針對Mg合金的AM制造依然局限于非常少量的鎂合金系統(tǒng)，如AZ系和ZK系以及稀土鎂合金。鎂合金的AM研究的發(fā)展的時間軸（發(fā)展簡史，見圖1）也表明：大多數的鎂合金AM制造集中在2010年以后，包括3D打印制造復雜形狀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鎂合金上。WE43 鎂合金是一種Mg-Y-RE系合金。對WE43 鎂合金感興趣的原因在于合金中含大約4wt%的Y和3%的RE（一般是混合Nd、La和Ce，同時含小于0.5wt%的Zr，Zr的作用是細化晶粒）。含稀土鎂合金包括WE43 和WE54， 具有提高室溫和高溫機械性能的能力（如拉伸和蠕變）。這一性能的提高是靠形成了熱穩(wěn)定性比較高的金屬相來實現(xiàn)的。與此同時，耐蝕性和鑄造時的合金耐熱性（燃點提高）也相應的提高。

a-c SLMed條件下的WE43誒合金的SEM圖，d，e EDXS圖，g XRD圖

尤其是在最近的關于研究SLM制造WE43的顯微組織以及制造復雜形狀的WE43合金的研究開始做增多。第一代研究SLM制造WE43的制造支架（指周期性的多孔結構），并研究了在體液中的降解行為、機械性能和生物相容性。結果表明SLM制造的樣品呈現(xiàn)出骨替代物的最為優(yōu)異的替代物特征。制備塊體的WE43合金時的顯微組織和機械性能并同鑄造狀態(tài)和粉末擠壓態(tài)相比較。SLM制造出的樣品拉伸強度較高。最近的研究表明采用SLM制造的樣品并熱等靜壓WE43，開展相應的組織和性能研究。結果發(fā)現(xiàn)熱等靜壓之后可以進一步的提高SLM制品的致密度。同時打印和熱等靜壓的產品比傳統(tǒng)鑄造的WE43的性能要好。

a-c STEM揭示SLMed WE43位錯和晶胞邊界，d元素分布，e，f EDXS

以上研究促使麻省理工的研究團隊更有興趣來探討SLM制造鎂合金，同時進一步的探討SLM制造鎂合金的工藝-顯微組織-腐蝕性能之間的關系。尤其是SLM制造鎂合金的腐蝕性能，直到今天，研究的尚不多。而鎂合金的腐蝕性能的研究是限制鎂合金應用的一個關鍵環(huán)節(jié)。為了充分發(fā)揮AM制造鎂合金的優(yōu)勢和發(fā)揮出鎂合金性能的優(yōu)勢，非常有必要采用AM技術制造鎂合金來彌補現(xiàn)階段的研究短板。因此，本文報道了SLM技術制造WE43 Mg合金的顯微組織、電化學性能和腐蝕性能。相應地熱等靜壓和熱處理后的顯微組織、電化學行為好腐蝕行為也進行了比較研究。

a-c SLM+ HIP的SEM圖， d-f 熱處理后的組織，gSLM+HIP+ HT的STEM-EDXS圖

a，b SLM+HIP+HT的Stem -edxs ,C 選取組織，d 統(tǒng)計結果

腐蝕結果

來源：A detailed microstructural and corrosion analysis of magnesium alloy WE43 manufactured by selective laser melting，Additive Manufacturing，Volume 35, October 2020, 101321，https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101321