導(dǎo)讀：來自麻省理工的研究人采用SLM技術(shù)進(jìn)行了WE43鎂合金的增材制造。并對(duì)沉積態(tài)、熱等靜壓和熱處理后的組織和機(jī)械性能以及腐蝕性能進(jìn)行了對(duì)比研究。SLM沉積態(tài)的組織得到細(xì)化，優(yōu)化SLM工藝參數(shù)之后進(jìn)行熱等靜壓，其缺陷率小于0.1%。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明SLM制造的WE43 比鑄造態(tài)更易腐蝕。這是因?yàn)楦患烁籞r氧化物的原因且均勻分布，同時(shí)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(jié)果表明SLM制造的Mg合金性能可以得到增強(qiáng)，只要對(duì)粉末的粉末特征能夠更加充分的理解和控制。
圖1 AM技術(shù)制造鎂合金的 發(fā)展里程碑
金屬的增材制造在制造復(fù)雜的設(shè)計(jì)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(jù)估計(jì)，在2024年將達(dá)到11 billion美元。同時(shí)，金屬的增材制造，不論是制造關(guān)鍵部件還是非關(guān)鍵部件，均表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。
a WE43鎂合金粉末的新貌圖及其用于SLM制造時(shí)的成分； b SLM制造的示意圖；
c SLM制造鎂合金時(shí)的掃描策略；d實(shí)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(yīng)用領(lǐng)域的探索中，對(duì)于鎂合金的3D打印的探索引起了人們的廣泛關(guān)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(shí)易于回收再利用、焊接和具有高的比強(qiáng)度。其重要輕和比強(qiáng)度高這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致可以制造多種復(fù)雜形狀的器件，如生物植入體、國防器件和3C產(chǎn)品（指電腦、通訊產(chǎn)品和消費(fèi)電子）。在用于植入的生物植入領(lǐng)域，AM技術(shù)在制造個(gè)性化的植入物產(chǎn)品尚已經(jīng)表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如鈦合金支架。而這一優(yōu)勢(shì)將轉(zhuǎn)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(dú)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(shù)，對(duì)傷者的康復(fù)非常有利。
a-c鑄造WE43鎂合金的典型組織 ；d-f EBSD結(jié)果；gXRD分析結(jié)果
盡管已經(jīng)有較多的探索進(jìn)行了鎂合金的工藝、顯微組織和性能的研究，但關(guān)于鎂合金的研究報(bào)道依然有限。部分原因在于AM技術(shù)制造鎂合金比較困難，如鎂合金的活性比較強(qiáng)而帶來安全方面的影響，同激光作用時(shí)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?dú)猸h(huán)境下均可以燃燒），同時(shí)相對(duì)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(shù)的不斷成熟和Mg合金研究與應(yīng)用的不斷深入，安全意識(shí)的不斷提高和保護(hù)措施的不斷增強(qiáng)，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鎂合金MA技術(shù)的有效控制。圖1 為關(guān)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(duì)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(shí)間軸（發(fā)展簡史，見圖1）也表明：大多數(shù)的鎂合金AM制造集中在2010年以后，包括3D打印制造復(fù)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(duì)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(shí)含小于0.5wt%的Zr，Zr的作用是細(xì)化晶粒）。含稀土鎂合金包括WE43 和WE54， 具有提高室溫和高溫機(jī)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(shí)現(xiàn)的。與此同時(shí)，耐蝕性和鑄造時(shí)的合金耐熱性（燃點(diǎn)提高）也相應(yīng)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(guān)于研究SLM制造WE43的顯微組織以及制造復(fù)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(jié)構(gòu)），并研究了在體液中的降解行為、機(jī)械性能和生物相容性。結(jié)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(shí)的顯微組織和機(jī)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(qiáng)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(yīng)的組織和性能研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱等靜壓之后可以進(jìn)一步的提高SLM制品的致密度。同時(shí)打印和熱等靜壓的產(chǎn)品比傳統(tǒng)鑄造的WE43的性能要好。
a-c STEM揭示SLMed WE43位錯(cuò)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(tuán)隊(duì)更有興趣來探討SLM制造鎂合金，同時(shí)進(jìn)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(guān)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(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了充分發(fā)揮AM制造鎂合金的優(yōu)勢(shì)和發(fā)揮出鎂合金性能的優(yōu)勢(shì)，非常有必要采用AM技術(shù)制造鎂合金來彌補(bǔ)現(xiàn)階段的研究短板。因此，本文報(bào)道了SLM技術(shù)制造WE43 Mg合金的顯微組織、電化學(xué)性能和腐蝕性能。相應(yīng)地?zé)岬褥o壓和熱處理后的顯微組織、電化學(xué)行為好腐蝕行為也進(jìn)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(jì)結(jié)果
腐蝕結(jié)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
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