综述：镁合金及复合材料增材制造的工艺-微观结构-性能相关性研究进展与展望

《Journal of Magnesium and Alloys》：Recent progress and perspectives in additive manufacturing of magnesium alloys and composites: A review of process-microstructure-property correlations

本综述系统梳理了镁合金及镁基复合材料（MMCs）在增材制造（AM）领域的最新进展，重点探讨了电弧定向能量沉积（WA-DED）、激光粉末床熔融（LPBF）和固态增材制造（SSAM）三种主流技术下的工艺-微观结构-性能关联。文章深入分析了各类AM技术的成形缺陷控制策略、微观组织演化规律（如α-Mg、β-Mg17Al12、长周期堆垛有序（LPSO）结构）、力学性能及腐蚀行为，并展望了其在航空航天、生物医学等领域的应用潜力，为高性能镁合金构件定制化制造提供了重要参考。

　　

镁合金及复合材料增材制造的研究进展与展望

近年来，镁（Mg）合金及镁基复合材料（MMCs）在先进装备、轻量化和生物医学工程领域的应用取得了显著进展。增材制造（AM）技术以其高柔性和设计自由度，对于快速成型复杂结构的高性能镁合金构件具有重要意义。由于增材制造镁合金和MMCs的逐层沉积特性，其构件与传统技术制造的构件相比，表现出独特的微观结构和性能。

电弧定向能量沉积（WA-DED）镁合金

WA-DED技术因其高效率、低成本和制造大尺寸部件的能力，在镁合金加工领域展现出巨大潜力。该技术主要包括气体金属电弧焊（GMAW）、钨极气体保护焊（GTAW）、等离子弧焊（PAW）以及基于GMAW改进的冷金属过渡（CMT）技术。

成形质量与优化策略

在镁合金WA-DED过程中，热裂纹、气孔、氧化和残余应力是常见的挑战。热裂纹与材料成分、热量积累和残余应力密切相关。镁合金的低熔点共晶相在晶界处形成液膜，而金属凝固收缩产生的拉应力则促进了曲折热裂纹的形成。气孔可分为未从熔池完全逸出的气泡和相邻沉积层间未熔合两类。镁的高氧亲和性以及氧化膜的多孔性容易导致氧化夹杂等缺陷。通过调整工艺参数（如行走速度、送丝速度）、控制热输入以及优化路径规划策略，可以有效改善部件的力学性能和成形质量。集成人工智能技术进行在线监测和参数优化，是实现WA-DED过程智能控制的重要方向。

微观结构演化

WA-DED镁合金的凝固冷却速率极高，严重抑制了溶质扩散，导致非平衡凝固组织特征。例如，AZ91镁合金的典型非平衡微观结构由α-Mg、β-Mg₁₇Al₁₂和细密分布的Al₈Mn₅相组成。沉积部件底部区域因基板散热作用，过冷度更大，晶粒更细小；而顶部区域热量积累，晶粒较粗大。对于Mg-RE系合金，如Mg-Gd-Y-Zr合金，沉积态组织由细小的等轴α-Mg晶粒和沿晶界分布的Mg₂₄(Gd, Y)₅共晶相组成。稀土元素的添加通过固溶强化、晶粒细化和时效硬化效应显著提高合金性能。添加Zn元素会促进基面长周期堆垛有序（LPSO）结构的形成，与纳米级β‘析出相协同增强合金强度与塑性。

力学与腐蚀性能

WA-DED制备的镁合金部件力学性能通常优于传统铸造件。其延展性与晶粒形态和取向角有关。低角度晶界可减少晶间裂纹形成，而高角度晶界可能导致位错塞积，阻碍塑性变形。复杂的热循环过程可能导致部件不同区域或方向的性能差异。柱状晶形态、晶体学织构和孔隙缺陷是造成沉积部件各向异性的三个主要因素。镁合金的耐腐蚀性能较差，但在WA-DED过程中，微观结构的异质性有助于增强耐腐蚀性。稀土元素通过形成稳定的表面薄膜和与镁基体电位差小的第二相连续分布来延缓腐蚀发展。热处理后，WE43镁合金表面可形成双层多孔结构的腐蚀膜，内层和外层腐蚀膜分别由Mg(OH)₂和MgO组成。

场辅助增材制造（FAAM）

场辅助增材制造技术旨在通过辅助工艺与WA-DED技术潜力的结合来提高合金的综合性能。目前的辅助方法主要包括主动冷却策略、塑性变形和搅拌熔池。主动冷却方法按传热介质不同分为液体冷却、气体冷却和固体接触冷却。层间锤击、超声冲击处理、层间摩擦 stir 加工（FSP）和激光冲击强化（LSP）等剧烈塑性变形（SPD）技术可用于改性WA-DED镁合金的微观结构。超声振动（UV）应用于金属WA-DED过程，利用空化和声流效应细化晶粒和消除缺陷。电弧振荡、超声频率脉冲（UFP）电弧和机械振荡等不同的电弧振荡方式对减少热量积累和改变熔池流动行为有显著效果。

激光粉末床熔融（LPBF）镁合金

LPBF技术利用高能激光束扫描粉末床，完全熔化金属粉末并快速凝固，实现金属结构的“近净成形”。其高精度和高冷却速率（10⁶～10⁸ K/s）为制造复杂精密结构的高性能金属部件提供了有效途径。

成形缺陷与控制

镁合金LPBF过程在成形质量方面面临独特挑战，主要表现为高孔隙率、球化、热裂纹和残余应力引起的变形。球化现象是LPBF过程中的典型冶金缺陷，尤其对于易氧化的镁合金。激光能量密度对球化现象影响显著，能量密度（E）在875-1000 J/mm3范围内可有效缓解球化。镁粉的高氧亲和性导致LPBF镁合金的氧化问题比WA-DED过程更严重。即使在低温和低氧分压下，镁粉表面也能形成氧化膜。孔隙是LPBF过程中最常见的体积缺陷，分为工艺引起的孔隙和冶金引起的孔隙。工艺引起的孔隙形状不规则，主要源于未熔合缺陷和匙孔孔隙。合适的LPBF工艺参数可实现相对密度高达99.7%的致密部件。高能激光束产生的熔池温度远高于镁、锌等元素的沸点，导致合金元素选择性蒸发。局部热循环和快速凝固可能导致裂纹，分为热裂纹和冷裂纹。晶粒细化和添加合金元素是降低镁合金液化裂纹敏感性的关键。

微观结构演化与后处理

LPBF工艺更小的熔池和更快的凝固速率导致镁合金部件微观结构比WA-DED过程更复杂。单个熔道内部，熔池边界热影响区发生晶粒生长，熔池内部以沿扫描方向生长的 elongated 柱状晶为主，熔池形态顶部分布有细小的等轴晶。经过多次重熔和凝固循环后，微观结构沿构建方向形成晶粒尺寸分布不均的双峰异质结构。局部非平衡扩散下，熔池边界（MPB）处大量纳米级析出相作为晶粒生长的形核点，促进细小等轴晶的形成。对于高Gd含量的Mg-RE合金，Gd元素向晶界扩散形成更多Mg-Gd化合物。引入后处理工艺是改善LPBF镁合金部件孔隙、有害析出相和残余应力的重要措施。固溶和双级时效处理后，棒状析出相的数量和尺寸大于单级时效状态。热等静压（HIP）工艺通过加压热处理的协同作用，有效提高致密化和疲劳抗力。搅拌摩擦加工（FSP）作为一种新型后处理方法，不仅能细化晶粒，还能提高部件的均匀性和致密度。深冷处理（DCT）通过引入压应力显著降低应力梯度，对LPBF样品中的位错密度和晶格变形产生显著影响。

力学与腐蚀性能

LPBF工艺制备的WE43镁合金室温拉伸性能与粉末挤压（PE）制品相似，但延展性略低。室温拉伸性能与激光能量密度密切相关。当能量密度从88 J/mm3增加到138 J/mm3时，WE43合金的平均极限抗拉强度（UTS）、屈服强度（YS）和延伸率（EL）分别提高了9.5%、2.1%和74.3%。LPBF GZ151K合金经时效处理（T5）后，YS、UTS和EL分别增至410 MPa、428 MPa和3.4%。沉积态的主要强化机制是细晶（～2 μm）、细小析出相和高残余应力，而时效处理的沉淀硬化可以提高YS并可能释放部分残余应力以增强延展性。LPBF镁合金在动态载荷下的变形行为和失效机制研究较少，这严重限制了其在汽车和航空航天工业的应用。LPBF镁合金的流动应力随孔隙率增加而降低，通过HIP消除孔隙后动态流动应力显著增强。LPBF镁合金的特定微观结构被认为有利于增强耐腐蚀性。例如，晶粒细化消除了基体上氧化膜的压应力，形成了完整的氧化膜，有效阻碍了氯离子向基体的渗透。然而，LPBF WE43合金在0.1 M NaCl溶液中的氢演化反应比铸态WE43更严重，这主要归因于Zr在稀土元素中的偏聚以及RE-rich共晶α相含量较低。

生物相容性

可生物降解多孔镁合金在生物医学应用方面取得了巨大进展，特别是利用LPBF生产点阵结构和多孔支架。向镁合金中添加Zn、Mn、Ca和少量低毒性RE元素可以降低腐蚀速率，且腐蚀产物对人体无害。LPBF WE43合金多孔支架的体外细胞毒性测试显示其代谢活性显著降低，但经过等离子体电解氧化（PEO）等表面改性后，支架表面代谢活性和细胞增殖明显增加。调整LPBF工艺参数可以平衡ZK30–3Al镁合金的晶粒尺寸和金属间化合物，从而降低降解速率并为细胞生长提供合适的pH环境。使用氧化石墨烯（GO）和Cu等作为LPBF MMCs的增强体，可以增强合金的细胞相容性和机械性能。与传统表面改性方法相比，高温氧化（HTO）处理在LPBF定制镁合金植入物应用中显示出巨大优势，因为它不添加其他材料且不受植入物几何形状的影响。

固态增材制造（SSAM）镁合金

基于搅拌摩擦工程（FSE）的固态增材制造可避免常见的凝固缺陷，制备出微观结构致密、沉积效率高、残余应力低的部件。

增材摩擦 stir 沉积（AFSD）

在AFSD过程中，镁合金原料棒经历摩擦软化、挤压、搅拌和沉积等各种物理过程，形成独特的微观结构。由于摩擦热和剪切作用下原料流动应力降低，软化材料随着旋转工具的平移在沉积试样表面产生波纹标记。AFSD样品的表面粗糙度和缺陷与总能量输入有关。总能量输入包括工具和原料输入的能量，主要影响因素包括工具转速（ω）、移动速度（V）、送料速率（F）和工具尺寸。较低的ω和较高的沉积比（V/F）更有利于WE43合金的沉积。AFSD过程中的动态再结晶（DRX）转变机制取决于变形温度和应变速率。镁合金在中高温（200–400 °C）下的高扩散速率是触发连续动态再结晶（