AZ91镁合金的激光粉末床熔融（LPBF）：工艺优化及其对显微组织、力学性能和Hanks’溶液中腐蚀行为的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Laser powder bed fusion of AZ91 magnesium alloy: Process optimisation and its influence on microstructure, mechanical properties, and corrosion behaviour in Hanks’ solution

　　

本研究探讨了激光粉末床熔融（LPBF）工艺条件对AZ91镁合金致密化、显微组织、力学性能和腐蚀行为的影响。研究人员对24种激光功率与扫描速度组合进行了系统优化，从中选出最优条件（C3：200 W和500 mm/s）和高能量条件（C5：250 W和500 mm/s），进行详细表征并与铸态参比合金进行比较。C3实现了近全致密化（99.75%），并呈现出更细化的显微组织，具有较低的缺陷含量和较不连续的β-Mg₁₇Al₁₂相分布。这些特征使其相较于C5具有更高的抗拉强度，C3的极限抗拉强度达到279 MPa。相比之下，施加于C5的更高能量输入促进了更深的熔池、更高比例和更强连通性的β相，以及更高密度的工艺诱导缺陷，从而导致更高的显微硬度，但抗拉强度和断裂应变较低。在Hanks’溶液中的腐蚀行为受缺陷密度、β相分布和LPBF诱导的显微组织各向异性控制。C3表现出比C5更稳定的降解动力学，而铸态合金则表现出最高的整体耐腐蚀性。这些结果表明，控制LPBF能量输入对于平衡AZ91合金的致密化、显微组织均匀性、力学性能和耐腐蚀性至关重要。

镁合金因其低密度、高比强度、良好的导电导热性、阻尼性能和电磁屏蔽能力，在航空航天、汽车和生物医学领域具有重要应用前景。在生物医学方面，镁合金可作为临时植入物，其弹性模量与天然骨接近，可减少应力遮挡效应，但快速腐蚀会损伤力学完整性并产生过量OH^?离子和氢气，造成医疗并发症。AZ91作为商业Mg-Al-Zn合金，综合了良好的力学性能和耐蚀性，但传统铸造难以制备复杂几何形状构件。激光粉末床熔融（laser powder bed fusion，LPBF）作为一种增材制造技术，适合加工镁合金，然而其工艺参数——特别是激光功率与扫描速度所决定的能量输入——对致密化、缺陷形成、β-Mg₁₇Al₁₂相演变、力学性能和腐蚀行为的影响尚未被系统理解。现有研究多采用较窄工艺窗口，且常使用机加工试样，可能掩盖近净成形件中真实存在的工艺缺陷和各向异性。来自西班牙马德里雷伊胡安卡洛斯大学的研究人员（S. Sánchez-Gil、M.á. Hernández、M.D. López、B. Torres、J. Rams、P. Rodrigo）在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了相关研究。他们设计了24种激光功率与扫描速度组合，系统优化了AZ91镁合金的LPBF工艺，识别出最佳工艺窗口，并选取最优条件C3（200 W, 500 mm/s）和高能量条件C5（250 W, 500 mm/s）进行详细对比，同时与由同一粉末真空感应铸造的铸态参照合金比较，以评估能量输入对显微组织、力学性能和腐蚀行为的影响。

作者使用德国NMD Metal Powders公司提供的气雾化AZ91粉末，在Renishaw AM400 LPBF系统上制备样品，并采用真空感应铸造制备铸态参照合金。表征手段包括光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）及能谱（EDX）分析致密度、熔池形貌和相分布；X射线衍射（XRD）鉴定物相；维氏显微硬度测试和数字图像相关（DIC）拉伸试验评价力学性能；在Hanks’溶液中进行开路电位、线性极化电阻、动电位极化和析氢测量评价腐蚀行为。

3.1 致密化行为（Densification behaviour）：通过孔隙率分布图和光学显微镜观察，发现中等能量输入区间可获得最高的致密度和最低的孔隙率。C3条件（200 W, 500 mm/s）达到近全致密，横向和纵向相对密度分别为99.75%和99.66%，仅含少量球形气孔；C5条件（250 W, 500 mm/s）虽保持较高相对密度，但缺陷含量更高，横向截面孔隙率明显增加。

3.2 显微组织（Microstructure）：XRD显示所有试样均由α-Mg基体和β-Mg₁₇Al₁₂相组成，未出现明显Al₈Mn₅衍射峰。SEM观察表明，LPBF试样具有细小的等轴α-Mg晶粒和沿晶界分布的β相。C3呈现浅U形熔池（平均宽度185.95 μm，深度103.42 μm），对应稳定熔融；C5则形成深V形熔池（宽度203.02 μm，深度237.10 μm），表明更高能量输入导致熔池穿透增强。C5的平均晶粒尺寸较小（4.33 μm对比6.21 μm），但β相面积分数更高（17.23%对比7.93%）且连通性更强；铸态合金晶粒粗大（48.97 μm），β相面积分数较低（5.7%）。

3.3 显微硬度（Microhardness）：维氏显微硬度测试显示，C5的平均硬度高于C3，主要归因于其更细的晶粒和更高的β相分数；两种条件的纵向截面硬度均低于横向截面，这与LPBF导致的熔池各向异性有关。铸态合金硬度与C3相当。

3.4 拉伸分析（Tensile analysis）：拉伸测试表明，C3达到极限抗拉强度（UTS）约279 MPa，断裂应变0.93%；C5的UTS仅168 MPa，断裂应变0.45%，且未达到0.2%条件屈服强度。断口形貌显示C3为含微孔和韧窝的混合断裂，C5则为较平坦的脆性断裂，与工艺缺陷和β相连通性导致的应力集中和裂纹快速扩展一致。

3.5 腐蚀行为（Corrosion behaviour）：电化学测试、析氢测量及腐蚀产物表征表明，纵向截面因暴露更多熔池边界和显微组织不均匀性而比横向截面腐蚀活性更高；C5因缺陷含量高和β相连通性强，腐蚀速率明显高于C3；铸态合金整体耐蚀性最优。所有试样表面形成以Mg(OH)₂为主的腐蚀产物层，并含少量MgO及可能的Mg-Al层状双氢氧化物（LDH）型相。C3的腐蚀层较致密连续，C5的腐蚀层多孔且不连续，导致电解质渗透和局部腐蚀加剧。腐蚀机制主要为β-Mg₁₇Al₁₂相与α-Mg基体之间的微电偶耦合，β相作为阴极促进析氢，α-Mg作为阳极溶解。

讨论部分总结了能量输入对材料性能的综合影响：高能量输入虽能细化晶粒并提高显微硬度，但会提高β相分数和连通性、增加工艺缺陷密度，从而削弱抗拉性能并加速腐蚀。因此，LPBF工艺窗口的选择不能单纯追求最高致密度或硬度，而应平衡致密化、显微组织均匀性、力学性能和耐蚀性。本研究建立的优化策略为制造近净成形AZ91部件提供了实用指导，可根据目标服役要求选择合适的工艺条件。

研究结论如下：本文系统研究了LPBF工艺参数对AZ91合金致密化、显微组织、力学性能和腐蚀性能的影响，并与铸态参照合金在横向和纵向截面上进行了比较。中等能量条件产生最高致密度和最低孔隙率；最佳条件C3（P=200 W，v=500 mm/s）实现近全致密，仅含少量球形气孔，而高能条件C5（P=250 W，v=500 mm/s）缺陷含量更高。LPBF产生了由α-Mg基体和β-Mg₁₇Al₁₂相组成的特征性熔池组织；C3为浅U形熔池，C5因熔池穿透增加形成深V形熔池；更高能量输入促进了晶粒细化并提高β相分数和连通性。力学方面，C5显微硬度更高，但C3抗