广东省科学院丨选区激光熔化增材制造实现高强韧一体的镁合金

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文章题目：Achieving ultra-high strength and ductility in a Mg-9Al-1Zn-0.5Mn alloy via selective laser melting

基于响应面设计理念，本研究通过中心复合设计系统性优化出了激光选区熔化Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的最优参数（激光功率=120 W，扫描速度=500 mm / s和层厚=45 μm），探索出了制造高强韧Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的一种高效捷径（显微硬度=95.6±5.28 HV0.1，最大拉伸强度=370.2 MPa，总伸长率=10.4 %）。

研究背景

镁合金因具有优异的比强度，与人骨相似的密度，良好的生物性能和力学性能，在生物医疗方面备受关注，尤其是骨植入体领域对个性化复杂结构需求的日益增长，催生了使用激光选区熔化技术（Selective Laser Melting, SLM）制备适于骨修复要求的镁合金多孔件。然而镁合金由于其本身熔沸点低、易氧化、热裂等问题，如何使用激光选区熔化技术制备力学性能优良的镁合金零件一直是现如今研究、应用道路上的“绊脚石”之一。尽管常用的Mg-Al系镁合金因其良好的铸造性能，成为了目前研究学者广泛关注的增材制造镁合金，但现阶段对于SLM所制备的Mg-Al合金的微组织演化过程、力学性能的影响机制并未进行深入研究。为弥补这一研究空白，本文采用响应面优化方法探究了不同工艺参数对SLM制备Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金组织和力学性能的作用机理，最终优化出SLM成形孔隙率低且强韧性优良的Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金制备方法。

创新点

（1）SLM Mg-Al-Zn-Mn合金工艺参数理性设计

基于中心复合表面设计（Central composite design, CCD）的响应面方法对SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金进行了系统性探究，从统计学角度出发，汇总并探究了工艺参数（激光功率、扫描速度及铺粉层厚）对SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金样品致密度及显微硬度的影响机制，为增材制造镁合金的参数设计及优化提供了充实的理论指导和科学判据。

图1. 基于中心复合表面设计的响应面法参数优化实验结果

（2）揭示了SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金中的微结构演化过程

SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的微观组织主要是由大量细小等轴晶(即α-Mg相)及少量β-Al₁₂Mg₁₇相(约4.96vol.%)构成的。其中，纳米粒子β-Al₁₂Mg₁₇和Al₈Mn₅诱导产生的晶界强化和沉淀硬化机制是高性能Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金强化的主要促进机制。

图2. SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金XY面与XZ面的EBSD结果

图3. SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的TEM检测结果

（3）实现了SLM Mg-Al-Zn-Mn合金强度及韧性的双重提升

由于SLM技术带来的超高冷却速率和固有的自回火效应，促使SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金中获得了大量的超细晶组织和纳米析出颗粒。因此，在细晶强化，固溶强化和纳米析出相强化的共同作用下，获得了强度韧性得到双重提升的SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金材料，其抗拉强度最高可达370MPa，延伸率10.4%，成功步入高强韧镁合金行列。

图4. SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的力学性能

图5.不同工艺制备的生物医用镁合金的拉伸强度-延伸率气泡图

启示

本研究通过响应面参数设计理论，开发了Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金少缺陷、高性能的激光选区熔化成形方法，阐述了不同形态的β-Al₁₂Mg₁₇及圆棒状Al₈Mn₅纳米颗粒增强Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金的强化机理，解决了SLM制造镁合金常见的缺陷多、热裂严重等难点问题，获得了一种强度高（UTS=370.2MPa）、韧性好（A_t=10.4 %）的SLM Mg-9Al-1Zn-0.5Mn合金样品，展现出了SLM制备生物医用镁合金材料在未来骨植入体方面的应用潜力，对增材制造镁合金在实际应用领域的推广具有重大意义。

作者介绍

常成：工学博士，2021年毕业于法国特鲁瓦技术大学，广东省科学院 “百人计划”D类，工程师，主要研究方向为激光增材制造高性能合金的材料设计、工艺开发及后处理工作。已发表高水平SCI论文20余篇，其中第一作者/通讯作者14篇，总引用330余次（谷歌学术统计），申请美国专利2件，授权中国发明、实用新型专利5件，作为科研骨干参与国家重点研发、国家青年自然科学基金、广东省重大专项、广东省中法联合平台建设、广西省重点研发等科研项目8项。担任多种SCI收录学术期刊的审稿人，包括Tribol. Int.，Surf. Coat. Technol.及Mater. Sci. Eng. A等。

闫星辰：理学博士，广东省科学院“百人计划”C类，副研究员，激光制造研究室副主任（主持工作）。研究方向为激光增材制造镍基高温合金的模型建立及开发工作。发表SCI论文80余篇，第一/通讯作者42篇，ESI高被引论文2篇，申请美国专利2件，第一发明人申请/授权中国发明专利13项，主持编写著作2部，获省部级科技二等奖1项，主持国家重点研发课题、装备预研课题、国家自然基金、中国科协青年人才托举工程、广东省面上/青年基金等各类项目。担任中德3D打印协会理事，智利国家科学技术发展基金国外评审专家，广东省材料研究学会青年委员会副秘书长，广东省青科协会员；担任多家医疗器械企业研发顾问，担任近十种SCI收录学术期刊的审稿人，包括Mater Sci Eng A，Mater Sci Eng C 等。

刘敏：教授级高级工程师，博士生导师，973项目首席科学家，现代材料表面工程技术国家工程实验室主任。现任广东省科学院副院长、中国材料研究学会常务理事、广东省材料研究学会常务副理事长、中国机械工程学会表面工程分会副主任、中国腐蚀学会高温腐蚀与防腐专业委员会副主任。长期从事热喷涂、激光制造等方面的研究和工程化应用工作，先后主持国家重点研发计划、863、973、军工配套、军工技改以及省重大专项等30多项，多项技术已经成功应用于航空、钢铁、包装印刷和能源等国民经济部门，并取得了较大的社会效益和经济效益。编写论著2部，发表论文100多篇，获得专利30多件。获国家科技进步二等奖1项、省部级科技奖10余项。2000年起享受国务院政府特殊津贴，2001年获广东省五一劳动奖章，2004年获“新世纪百千万人才工程国家级人选”，2006年获中国有色金属工业科学技术优秀科技工作者称号。

文章信息

Cheng Chang, Hanlin Liao, Lin Yi, Yilong Dai, Sophie C. Cox, Ming Yan, Min Liu, Xingchen Yan, Achieving ultra-high strength and ductility in Mg–9Al–1Zn-0.5Mn alloy via selective laser melting, Adv. Powder Mater. 2023, 2, 100097.

https://doi.org/10.1016/j.apmate.2022.100097

来源：增材制造硕博联盟