新二皇冠最新手机登录（www.hg8080.vip）:多领域轻量化材料需求日益迫切，镁合金增材制造前景广阔

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航空航天、武器装备等重要领域对轻量化材料的需求日益迫切，镁合金作为质量最轻的金属结构材料逐渐受到广泛关注，镁合金的增材制造也开始受到材料界越来越多的重视。

镁合金作为最轻的金属结构材料，密度仅为 1.74 g/cm3，约为铝合金的 2/3、锌合金的 1/3、钢铁的1/4、钛合金的 2/5，与多数工程塑料相当。不仅如此，镁合金还具有诸多优异的特性，例如优良的比强度与比刚度、优异的阻尼性能、热稳定性和抗电磁辐射性能等，已经被广泛应用于航空、航天、汽车、电子通讯等领域。

随着工业界对产品综合性能要求的进一步提升，流道、拓扑等更加轻量化的零件设计理念开始崭露头角。然而目前镁合金的成形方式依然主要采用传统的铸造、粉末冶金和塑性成形等，这些传统的加工工艺难以对一体化构件内部进行加工，无法在部件内部构建精细流道结构或拓扑结构，限制镁合金发挥轻量化的优势与复杂结构件成型的潜力。在此情况下，增材制造突破了传统制造的限制，具有高精度、高设计自由度、高利用率与节能等特点。通过对工艺参数的设计，可以调控合金微观结构和性能，最大化实现合金材料的形性协同设计能力，净成形制备出传统制造无法实现的复杂结构产品，扩大镁合金在生物医用、汽车、消费电子等领域的应用。

激光粉末床熔融技术制备的“Mg”形状的点阵结构(由镁合金WE43制成)

3D打印技术已广泛用于制造不锈钢、钛合金、铝合金等复杂样件，并成功用于发动机机匣，散热管道，减重结构件等。近年来，随着对镁合金在加工过程中易燃性的了解不断增加，针对镁合金的增材制造相关研究也逐步展开，以期突破传统镁合金制备工艺对镁合金发挥轻量化优势的限制。目前研究人员已经成功利用选区激光熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）技术、电弧熔丝沉积技术（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）技术、搅拌摩擦增材技术（Friction Stir Additive Manufacturing, FSAM）技术、激光熔化沉积技术（Laser Melting Deposition，LMD）技术制备了具有煌⒐圩橹阅芨饕斓拿竞辖鸾峁辜踔粱�拓扑优化设计，生产制造出了一系列无法用传统加工方式制造的镁合金零件，大大拓展了镁合金在轻量化复杂构件上的应用潜力。

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镁合金的优点

镁合金密度小但强度高、刚性好。在现有工程用金属中，镁的密度最小，是钢的1/5，锌的1/4，铝的2/3。普通铸造镁合金和铸造铝合金的刚度相同，因而其比强度明显高于铝合金。镁合金的刚度随厚度的增加而成立方比增加，故而镁合金制造刚性好的性能对整体构件的设计十分有利。

镁合金的韧性好、减震性强。镁合金在受外力作用时，易产生较大的变形。但当受冲击载荷时，吸收的能量是铝的1.5倍，因此，很适合应于受冲击的零件—车轮；镁合金有很高的阻尼容量，是避免由于振动、噪音而引起工人疲劳等场合的理想材料。

镁合金的热容量低、凝固速度快、压铸性能好。镁合金是良好的压铸材料，它具有很好的流动性和快速凝固率，能生产表面精细、棱角清晰的零件，并能防止过量收缩以保证尺寸公差。由于镁合金热容量低，与生产同样的铝合金铸件相比，其生产效率高40%～50%，且铸件尺寸稳定，精度高，表面光洁度好。

镁合金具有优良的切削加工性。镁合金是所有常用金属中较容易加工的材料。加工时可采用较高的切削速度和廉价的切削刀具，工具消耗低。而且不需要磨削和抛光，用切削液就可以得到十分光洁的表面。

资源丰富。中国是镁资源大国，菱镁矿、白云石矿和盐湖镁资源等优质炼镁原料在中国的储量十分丰富，为中国的原镁工业及“下游”产业的蓬勃发展和不断进步提供了物质保证。进入20世纪90年代以来，随着改革开放和市场经济的不断深入发展，中国镁工业也有了突飞猛进的发展。2000年全国镁产量约为200 kt，几乎占世界镁产量的40%，位居全球第一。2005年，原镁产量达到354 kt，原镁产能接近600 kt，比2004年净增100kt，同比增长32.1%，占全球镁产量的2/3，成为中国继铝、铜、铅、锌之后的第五大有色金属。

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镁合金的缺点

易燃性。镁元素与氧元素具有极大的亲和力，其在高温下甚至还处于固态的情况下，就很容易与空气中的氧气发生反应，放出大量热，且生成的氧化镁导热性能不好，热量不能及时发散，继而促进了氧化反应的进一步进行，形成了恶性循环，而且氧化镁疏松多孔，不能有效阻隔空气中氧的侵入。

室温塑性差。镁属于密排六方晶体结构，其在室温下只有1个滑移面和3个滑移系，因此它的塑性变形主要依赖于滑移与孪生的协调动作，但镁晶体中的滑移仅发生在滑移面与拉力方向相倾斜的某些晶体内，因而滑移的过程将会受到极大地限制，而且在这种取向下孪生很难发生，所以晶体很快就会出现脆性断裂。在温度超过250℃时，镁晶体中的附加滑移面开始起作用，塑性变形能力变强。

耐蚀性差。镁具有很高的化学活泼性，其平衡电位很低，与不同类金属接触时易发生电偶腐蚀，并充当阳极作用。在室温下，镁表面与空气中的氧发生反应，形成氧化镁薄膜，但由于氧化镁薄膜比较疏松，其致密系数仅为0.79，即镁氧化后生成氧化镁的体积缩小， 因此耐蚀性很差。

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常用镁合金成分及其分类

纯镁由于其强度太低而很少被直接使用，在增材制造中常用镁合金按牌号分为 AZ系列(AZ31， AZ61，AZ80，AZ91)，ZK系列(ZK60，ZK61)，WE系列(WE43，WE54，WE93)。根据标准 GB/T5153-2016，不同牌号的镁合金化学成分如表 2所示。AZ系列(Mg-Al-Zn)镁合金是以 Mg-Al系镁合金为基础发展而来的，适量的 Zn元素添加可以提升试件的抗蠕变性能并减轻镁合金中的 Fe、Ni等杂质元素对腐蚀性能所造成的不利影响，具有均衡的力学性能和一定的耐腐蚀能力，是目前在增材制造研究中应用最广泛的镁合金。ZK系列(Mg-Zn-Zr)镁合金是在Mg-Zn系镁合金的基础上添加 Zr元素发展而来，研究表明镁中添加 Zr元素后可以有效的细化晶粒，且有着较强的固溶强化作用，提升镁合金的力学性能，是一种很有研究前景的生物医用材料。WE(Mg-RE)系列镁合金属于稀土镁合金，添加稀土元素的镁合金在室温下表现出良好的抗蠕变性能和拉伸性能。然而，稀土元素成本较高，目前对增材制造的研究主要集中在 AZ系镁合金，对其他系合金尤其是稀土镁合金的增材制造研究较少，开发低成本、高性能的稀土镁合金对镁合金增材制造的研究具有重要意义。

不同牌号镁合金化学成分(质量分数，%)

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增材制造镁合金面临的问题与展望

近年来随着国内外学者们的努力，镁合金在增材制造方面取得了一些成果，相较于传统成形技术，其优势表现的非常突出，前景十分广阔。但是在研究过程中也暴露出了很多问题，这些问题制约着镁合金增材制造工艺的进一步应用与发展：

（1）基础研究理论匮乏，由于缺乏镁合金打印过程中的相关热源能量输入的调控模型，尤其是对SLM成形过程中过热熔体在高能量激光输入下反冲压形成的飞溅难以进行模拟，以及对快冷过程中微观组织演化的模拟研究与理论分析。对增材制造过程中残余应力以及加工缺陷的研究也多使用低成本且工艺更为成熟的钢、铝合金或钛合金作为研究样本，对镁合金体系关注较少，导致现有研究难以在镁合金增材制造的多功能集成优化设计原理和方法上实现突破；

（2）受制于安全因素的影响，镁合金增材制造经验依然相对匮乏，样件内部经常存在一定的缺陷，如热裂纹、气孔等，目前仅能在成型后通过热等静压的方式部分消除缺陷。镁合金是热敏材料，增材制造过程中材料往往存在强烈的物理、化学变化以及复杂的物理冶金过程，同时伴随着复杂的形变过程，以上过程影响因素众多，涉及材料、结构设计、工艺过程、后处理等诸多因素，这也使得合金增材制造过程的工艺—组织—性能关系往往难以准确把握，导致增材制造镁合金的性能无法充分发挥。此外，由于镁合金活泼，增材过程中易飞溅，易开裂的性质，需要针对镁合金开发专门的 SLM机器设备；

（3）目前尚无适用于增材制造的专用镁合金原材料（丝材和粉材），现有产品多为现有的商用铸造牌号镁合金，无法充分利用增材制造工艺的高温快冷特性，设计和开发适合增材制造加工的其他镁合金成分体系尤为重要；

（4）对增材制造镁基复合材料或镁基成分梯度合金的关注度不足。由于增材制造工艺上的特殊性，可以通过不同的铺粉仓或送丝器生产加工出成分梯度的零件或复合材料，这一设想已经在镍合金、钛合金、高熵合金、铁-铝合金均尝试成功。增材制造镁基复合材料与镁基梯度材料的成功开发必将更大程度上发挥镁合金的减重优势，拓宽镁合金的应用场景。

最后

镁合金增材制造具有广阔的前景，通过增材制造技术，可实现包括但不限于：扩展镁中溶质元素的溶解极限并探索以前不溶的元素（包括过渡金属）的合金化行为；实现直接生产薄壁、杆部件，制备超轻量级组件；可模拟制备人体骨骼结构的微观和宏观的分层多孔结构，用于生物医学应用的设备和智能组件。

随着镁合金增材制造技术逐渐成熟，其革新作用也正日益凸显，增材制造技术能够有效地辅助和加速提升我国在镁合金制造与研发方面的水平，对于我国这样一个镁合金资源大国来说，这将是提升我国镁科技的关键机遇，只有在技术上处于先进水平，才能把我国的镁资源优势发挥出来，在国际行业竞争上占得先机，加快向工业强国转变。

来源：轻合金国家重点实验室，JMACCMg，南极熊3D打印

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