王琮瑋 楊光 王琮瑜 王金業(yè) 劉大志 張永弟

摘 要：選區(qū)激光熔化成型鎂合金構(gòu)件性能優(yōu)異且個(gè)性化程度高，在工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用意義。首先，對(duì)選區(qū)激光熔化成型鎂合金技術(shù)的基本原理與技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡釋;其次，基于選區(qū)激光熔化成型鎂合金技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，將目前已有研究成果與尚未解決的技術(shù)問題進(jìn)行歸納與總結(jié);再次，對(duì)選區(qū)激光熔化成型鎂合金關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)主要技術(shù)難點(diǎn)及其解決方案進(jìn)行綜述;最后，對(duì)選區(qū)激光熔化成型鎂合金發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討，指出今后可在以下方面進(jìn)行深入研究：1）優(yōu)化現(xiàn)有工藝參數(shù)與成型倉(cāng)風(fēng)道等機(jī)械除塵結(jié)構(gòu)，通過主動(dòng)抑塵與被動(dòng)抑塵相結(jié)合的方法提高成型質(zhì)量;2）通過工藝調(diào)控減少成型缺陷，制備高性能鎂合金構(gòu)件;3）優(yōu)化粉末篩分結(jié)構(gòu)，提高成型安全性。

關(guān)鍵詞：特種加工工藝;增材制造技術(shù);選區(qū)激光熔化;鎂合金;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TG669?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.7535/hbkd.2022yx01006

收稿日期：2021-10-08;修回日期：2021-12-13;責(zé)任編輯：馮 民

基金項(xiàng)目：國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃（JCKY2018407C004）;中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金（206Z1806G）;河北省高校百名優(yōu)秀創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（SLRC2019050）;河北省研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目（XJCXZZSS202117）

第一作者簡(jiǎn)介：王琮瑋（1997—），男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事鎂合金選區(qū)激光熔化方面的研究。

通訊作者：楊 光教授。E-mail：y_guang@126.com

Review on key technologies of selective laser melting forming magnesium alloy components

WANG Congwei1，YANG Guang1，WANG Congyu1，WANG Jinye1，LIU Dazhi2，ZHANG Yongdi1

（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.Tangshan Weihao Magnesium Powder Company Limited，Tangshan，Hebei 064406，China）

Abstract：Selective laser melting forming magnesium alloy components have excellent performance and high degree of individuation，which has important application significance in industrial production，biomedicine and other fields.Firstly，the basic principle and technical characteristics of selective laser melting forming magnesium alloy were briefly explained.Then，based on the research status of selective laser melting forming magnesium alloy technology at home and abroad，the existing research results and unresolved technical problems were summarized.On this basis，the key technologies of selective laser melting forming magnesium alloys were analyzed，and the main technical difficulties and their solutions were comprehensively summarized.Finally，the development trend of selective laser melting forming magnesium alloys was discussed，and further research can be carried out in the following aspects：1） optimize the existing process parameters and forming bin air duct and other mechanical dust removal structure for improving the forming quality through active dust suppression and passive dust suppression methods;2） prepare high performance magnesium alloy components by reducing forming defects through process control;3） optimize powder screening structure to improve molding safety.

Keywords：

special processing technology;additive manufacturing technology;selective laser melting;magnesium alloys;development trend

鎂及其合金具有低密度、高比強(qiáng)度的特點(diǎn)，在汽車制造、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。又因其具有生物相容性好、可在人體內(nèi)降解等特點(diǎn)，近年來在生物醫(yī)用領(lǐng)域也廣受關(guān)注[2-3]。然而傳統(tǒng)的機(jī)械加工、鑄造成型等制造方式難以制備造型復(fù)雜的構(gòu)件，在臨床治療過程中，批量化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型醫(yī)療器械仍被廣泛使用。由于患者體質(zhì)及對(duì)植入物的需求因人而異，標(biāo)準(zhǔn)型醫(yī)療器械往往難以達(dá)到最佳治療效果，個(gè)性化醫(yī)療器械成為臨床應(yīng)用中的迫切需求[4]。增材制造（additive manufacturing，AM），又稱3D打印，是20世紀(jì)80年代后期興起的快速制造技術(shù)[5-6]，運(yùn)用“離散-堆積”的制造理念，對(duì)材料逐層疊加成型。其中選區(qū)激光熔化技術(shù)是金屬增材制造中的一種代表性技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)幾乎任意形狀的零件直接快速制造[7-9]。

通過選區(qū)激光熔化的方式制備出個(gè)性化、力學(xué)性能好的鎂合金構(gòu)件，成為解決生物醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)重要領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵問題的有效途徑。本文主要介紹了選區(qū)激光熔化成型鎂合金的原理與技術(shù)特點(diǎn)，分析其國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并結(jié)合目前研究中所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案進(jìn)行討論，對(duì)選區(qū)激光熔化成型鎂合金技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 選區(qū)激光熔化成型鎂合金技術(shù)

選區(qū)激光熔化成型鎂合金構(gòu)件的基本原理是通過高能量激光對(duì)金屬粉末照射使其快速熔凝，并通過與前層鎂合金不斷結(jié)合累積成型[10]，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示?；谶x區(qū)激光熔化成型鎂合金技術(shù)的獨(dú)特成型方式，與傳統(tǒng)制造工藝進(jìn)行比較，該技術(shù)具有如下特點(diǎn)。

1）制造自由度高

相較于傳統(tǒng)制造方式，選區(qū)激光熔化在制造含有薄壁腔體、點(diǎn)陣單元、內(nèi)部特征細(xì)微的異型零件時(shí)具有極大優(yōu)勢(shì)[11]，解決了對(duì)多孔體等造型復(fù)雜醫(yī)療器械加工困難的問題。由于成型過程是對(duì)鎂合金粉末選擇性的熔融成型，屬于近凈成形技術(shù)[12]，與沖壓等傳統(tǒng)制造工藝相比材料利用率更高，鎂合金粉末可經(jīng)過篩分循環(huán)利用，在一定程度降低了生產(chǎn)成本[13]。

2）力學(xué)性能良好

傳統(tǒng)鎂合金的鑄造工藝存在氣孔、縮松等缺陷，嚴(yán)重影響加工零件的力學(xué)性能與使用壽命。選區(qū)激光熔化將鎂合金粉末熔融為金屬實(shí)體，可得到近乎全致密的加工零件[14]，有效解決了這一問題。根據(jù)“Hall-Petch”公式（見式（1）），對(duì)于相同材料的鎂合金零件，其力學(xué)性能隨晶粒的細(xì)化而提升[15]。

σs=σ0+αHPd-0.5g，（1）

式中：σs為鎂合金屈服極限;σ0與αHP為材料系數(shù);dg為鎂合金平均晶粒尺寸。由于成型過程中鎂合金粉末熔凝迅速，晶粒組織細(xì)化，選區(qū)激光熔化成型出的鎂合金晶粒組織細(xì)小，無(wú)氣孔、縮松等缺陷，力學(xué)性優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造工藝制備的鎂合金。

3）產(chǎn)品開發(fā)迅速

選區(qū)激光熔化技術(shù)的成型前處理僅需通過CAD軟件建立零件三維模型，而后可使用選區(qū)激光熔化設(shè)備直接對(duì)終端鎂合金構(gòu)件成型，相比傳統(tǒng)的鑄造方式省去了模具設(shè)計(jì)與加工等環(huán)節(jié)，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，因此尤其適用于對(duì)單件或小批量零件的快速制造[16]，在對(duì)定制化醫(yī)療器械的制造方面也更具優(yōu)勢(shì)。

2 選區(qū)激光熔化成型鎂合金研究現(xiàn)狀

選區(qū)激光熔化技術(shù)最早由德國(guó)的Fraunhofer研究所于1995年提出。1999年SCHWARZE等研發(fā)出世界首臺(tái)選區(qū)激光熔化成型系統(tǒng)，此后這項(xiàng)研發(fā)技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，現(xiàn)如今多種金屬材料的選區(qū)激光熔化工藝研究已趨于成熟[17]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)選區(qū)激光熔化成型鎂合金的研究主要集中在工藝優(yōu)化與燒損抑制方面。

2.1 成型工藝研究

在成型工藝參數(shù)方面，SAVALANI等[18]研究了不同預(yù)熱溫度與鋪粉厚度對(duì)鎂合金成型質(zhì)量的影響。通過調(diào)整不同激光功率、掃描速度下預(yù)熱溫度與鋪粉厚度，對(duì)比不同激光能量密度下鎂合金單道掃描的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)相較未預(yù)熱的掃描軌道，經(jīng)過預(yù)熱180 ℃、鋪粉層厚在0.15～0.2 mm時(shí)，鎂合金單道掃描微觀形貌更加平坦，成型質(zhì)量更好。ZHU等[19]研究了激光功率與掃描間距對(duì)多孔AZ91D鎂合金的微觀組織、力學(xué)性能與致密度的影響，發(fā)現(xiàn)不同工藝參數(shù)制備的鎂合金晶粒尺寸小于10 μm，與壓鑄制備的AZ91D鎂合金晶粒尺寸（30 μm）相比，選區(qū)激光熔化制備的鎂合金晶粒尺寸得到顯著細(xì)化。力學(xué)性能檢測(cè)表明，多孔AZ91D鎂合金的彈性模量、抗壓強(qiáng)度與人骨接近。CHEN等[20]通過實(shí)驗(yàn)探究了不同激光功率、掃描速度下AlSi10Mg鎂合金的顯微組織、孔隙率與力學(xué)性能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)激光能量密度為44.5 J/cm3時(shí)鎂合金整體孔隙較少，力學(xué)性能最佳。

程龍[21]對(duì)選區(qū)激光熔化成型純鎂的性能進(jìn)行研究，優(yōu)化工藝參數(shù)，當(dāng)激光功率P=72 W、掃描速度V=200 mm/s時(shí)成型試件力學(xué)性能最好，但在腐蝕浸泡中出現(xiàn)較嚴(yán)重絲狀腐蝕，耐蝕性弱于傳統(tǒng)鑄造制備純鎂金屬。龐銘等[22]對(duì)不同激光功率條件下AZ80鎂合金的熔池進(jìn)行研究。通過顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)激光功率為500 W和800 W時(shí)熔池深度沿激光掃描方向先增大后逐漸穩(wěn)定，當(dāng)激光功率為1 000 W時(shí)熔池深度在掃描方向始終增長(zhǎng)，且AZ80鎂合金最高硬度在次表層區(qū)域而非最表層區(qū)域。張文奇等[23]探索了適用于AlSi10Mg合金選區(qū)激光熔化的成型工藝參數(shù)，最終得到致密度為99.96%的鎂合金零件，在該成型條件下沉積態(tài)鎂合金拉伸強(qiáng)度可達(dá)500 MPa，遠(yuǎn)超鑄造制備鎂合金零件的力學(xué)性能。

2.2 燒損抑制研究

在鎂合金燒損行為抑制方面，ZHANG等[24]進(jìn)行了低功率條件下Mg-9Al合金的成型研究。通過物相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光能量較低時(shí)所成型鎂合金燒損較少，但內(nèi)部存在較多孔隙。這一現(xiàn)象可能是由于鎂粉吸收激光能量過低、粉末熔融不充分所致。WEI等[25]研究了燒損對(duì)ZK60鎂合金成型質(zhì)量的影響，成型過程中熔池的穩(wěn)定性受到Mg與Zn元素氣化沖擊的影響，最終成型零件致密度僅為94.05%。Mg元素?zé)龘p是影響成型質(zhì)量最重要的因素之一，燒損產(chǎn)生的煙塵不僅會(huì)遮擋激光，使其低于理論輸出功率，造成鎂合金力學(xué)性能偏低，大量的燒損煙塵進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部還會(huì)對(duì)機(jī)器造成損害，減少設(shè)備使用壽命[26]。

謝轍[27]對(duì)不同線能量成型AZ91D鎂合金中Mg元素的燒損行為進(jìn)行了研究。參考線能量模型E=P/v進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在線能量密度較小時(shí)Mg元素?zé)龘p較為緩和，Mg元素?zé)龘p量隨激光能量增加顯著加劇。魏愷文等[28]對(duì)AZ91D鎂合金的燒損行為進(jìn)行研究，通過物相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)成型后Mg元素的質(zhì)量比下降，與基于Langmuir模型計(jì)算結(jié)果相近，表明Mg元素發(fā)生了燒損。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在激光能量密度為55.6 J/mm3時(shí)，制備出鎂合金中Mg元素含量最接近原始成分，鎂合金燒損得到緩解。本課題組利用溫度場(chǎng)仿真建立了選區(qū)激光熔化成型鎂合金過程中工藝參數(shù)與熔池溫度的關(guān)系模型，通過熱力學(xué)與氣體動(dòng)力學(xué)理論建立Mg元素?zé)龘p速率與溫度之間解析關(guān)系模型，聯(lián)合工藝參數(shù)與熔池溫度、燒損速率之間的關(guān)系，最終得到工藝參數(shù)與Mg元素?zé)龘p速率之間的關(guān)系模型[29]。使用所建立燒損模型優(yōu)化出成型AZ91D鎂合金工藝窗口，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其力學(xué)性能遠(yuǎn)高于鑄造制備的鎂合金構(gòu)件。

3 選區(qū)激光熔化成型鎂合金關(guān)鍵技術(shù)分析

選區(qū)激光熔化技術(shù)可對(duì)多種金屬粉末材料成型，受鎂合金理化性質(zhì)影響，選區(qū)激光熔化對(duì)鎂合金的成型較其他種類金屬更為困難[30]。Mg元素的燒損是成型過程中最主要的問題，除此之外，選區(qū)激光熔化制備的鎂合金構(gòu)件會(huì)存在尺寸偏差、力學(xué)性能差等不足，制約零件的實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)前對(duì)選區(qū)激光熔化成型鎂合金的研究尚未成熟，在燒損抑制、工藝研究與安全防護(hù)等方面仍有較多問題。

3.1 選區(qū)激光熔化成型鎂合金燒損抑制

常見金屬選區(qū)激光熔化材料中，金屬鎂的熔點(diǎn)偏低。金屬鈦熔點(diǎn)為1 720 ℃，316L不銹鋼熔點(diǎn)約1 398 ℃，而鎂合金熔點(diǎn)650 ℃，沸點(diǎn)僅為1 107 ℃[31]。鎂合金在選區(qū)激光熔化成型過程中蒸氣壓較高，高能量激光對(duì)鎂合金粉末照射會(huì)導(dǎo)致Mg元素發(fā)生燒損行為，對(duì)鎂合金的顯微組織、元素成分含量產(chǎn)生影響[32]。燒損過程中鎂合金氣化對(duì)熔池具有反沖壓力，導(dǎo)致熔池向外飛濺，對(duì)鎂合金構(gòu)件的性能造成損害[33-34]。圖2所示為選區(qū)激光熔化成型鎂合金過程中產(chǎn)生的大量燒損煙塵。

選區(qū)激光熔化成型過程中，Mg元素?zé)龘p的根本原因是鎂合金內(nèi)各元素的燒損速率不同。由熱力學(xué)計(jì)算模型Langmuir方程可知[35]，Mg元素?zé)龘p速率J/（g·cm-2·s-1）可表示為

J=4.375×10-4γiXiP0iMiT12，（2）

式中：γi為Mg元素在鎂合金熔體中的活躍系數(shù);Xi為鎂合金熔體中Mg元素摩爾分?jǐn)?shù);P0i為Mg元素的飽和蒸氣壓，Pa;Mi為元素Mg的摩爾質(zhì)量，g/mol;T為鎂合金熱力學(xué)溫度，K。在成型過程中，鎂合金粉末吸收高能量激光后產(chǎn)生溫度極高的熔池，Mg元素?zé)龘p速率遠(yuǎn)快于其他種類金屬元素。在真空熔煉環(huán)境下對(duì)鎂合金燒損機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)鎂合金熔體蒸發(fā)速率受到Mg元素活躍程度的影響，且當(dāng)鎂合金達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)主要為Mg元素發(fā)生燒損[36-37]，熔煉溫度是影響其燒損劇烈程度的關(guān)鍵因素。

激光能量密度決定了成型過程中的熔池溫度，激光能量密度越強(qiáng)，鎂合金熔池溫度越高。激光體能量密度模型E可表示為[38]

E=Pvsh，（3）

式中：P為激光功率;v為掃描速度;s為掃描間距;h為鋪粉厚度。由式（3）可知，高激光功率、低掃描速度成型時(shí)，激光能量密度強(qiáng)，熔池溫度較高，加劇了鎂合金的燒損。現(xiàn)階段，對(duì)鎂合金燒損行為的抑制主要通過調(diào)整工藝參數(shù)獲得合適的激光能量密度。工藝實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行ふ页鰧?duì)鎂合金成型的最佳工藝參數(shù)，但大范圍進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)往往耗費(fèi)較多實(shí)驗(yàn)資源。隨著信息技術(shù)與有限元仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度場(chǎng)仿真成為更直觀、更準(zhǔn)確分析與預(yù)測(cè)鎂合金燒損行為的方式。本課題組在對(duì)鎂合金燒損抑制的研究中，通過溫度場(chǎng)仿真建立工藝參數(shù)、熔池溫度與燒損速率之間關(guān)系模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)選取力學(xué)性能更好、激光能量更低的成型工藝參數(shù)，為抑制鎂合金燒損提供了有效解決方法。

3.2 選區(qū)激光熔化成型鎂合金工藝

成型工藝對(duì)鎂合金構(gòu)件的尺寸精度與力學(xué)性能有重要影響。成型精度常通過對(duì)鎂合金構(gòu)件的實(shí)際尺寸測(cè)量來評(píng)價(jià)，尺寸偏差較大會(huì)導(dǎo)致所生產(chǎn)的鎂合金構(gòu)件無(wú)法與其他零件裝配使用。工藝參數(shù)是影響成型零件力學(xué)性能的主要因素，決定了所成型鎂合金構(gòu)件機(jī)械性能的強(qiáng)弱。現(xiàn)階段，對(duì)選區(qū)激光熔化成型鎂合金的工藝研究中主要存在尺寸精度偏差大、力學(xué)性能差與零件成型缺陷等問題。

選區(qū)激光熔化成型的尺寸精度主要分為X/Y方向與Z方向精度2個(gè)方面[39]。X/Y方向精度主要受熔道寬度的影響。激光在鎂合金粉末表面掃描過后形成若干熔池順序搭接而成熔道，當(dāng)激光能量密度較大時(shí)熔池熔道寬于理論值，所成型鎂合金零件在X/Y方向上膨脹，當(dāng)激光能量密度較小時(shí)熔道窄于理論值，所成型鎂合金零件在X/Y方向上收縮。Z方向精度常見問題是實(shí)際成型尺寸小于理論設(shè)計(jì)值。部分原因是激光能量密度過高時(shí)鎂合金試件底部與基板相熔，造成試件成型高度低于理論設(shè)計(jì)值;激光能量密度過高還會(huì)對(duì)已成型的鎂合金實(shí)體造成間接重熔，加劇鎂合金的燒損，造成Z方向?qū)嶋H成型尺寸偏小[40-42]。

影響鎂合金力學(xué)性能的主要工藝參數(shù)包括激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉層厚度等。在對(duì)成型工藝的研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了多種關(guān)于工藝參數(shù)的激光能量密度模型，并探究了激光能量密度對(duì)選區(qū)激光熔化成型鎂合金致密度與力學(xué)性能的影響，表1所示為幾種代表性的激光能量密度模型[43-46]。

選區(qū)激光熔化過程中，熔池形貌與鎂合金粉末的熔融狀態(tài)主要由激光能量密度的大小決定。激光功率與掃描速度是決定激光能量密度大小的最主要因素，直接影響了熔池形貌;掃描間距、鋪粉層厚度等成型工藝參數(shù)能夠改變?nèi)鄢責(zé)嵊绊憛^(qū)域的大小，間接對(duì)鎂合金性能造成影響。激光能量密度不足時(shí)鎂合金粉末不能完全熔化，大量球形粉末黏接導(dǎo)致成型后鎂合金內(nèi)部孔隙偏多，力學(xué)性能不佳;激光能量密度過大時(shí)鎂合金熔池會(huì)發(fā)生飛濺，Mg元素?zé)龘p蒸發(fā)在熔道表面形成大量氣孔，此時(shí)成型的鎂合金實(shí)體致密度偏低，力學(xué)性能同樣較差[47]。圖3所示為常見選區(qū)激光熔化工藝缺陷[48-49]。

目前對(duì)選區(qū)激光熔化成型鎂合金的工藝研究主要通過正交試驗(yàn)的方法，研究不同參數(shù)組合下所成型鎂合金試樣的力學(xué)性能與微觀組織形貌，通過致密度檢測(cè)或拉伸實(shí)驗(yàn)選擇出力學(xué)性能良好的試樣，從而優(yōu)化出對(duì)鎂合金成型的最佳工藝參數(shù)。

翹曲是選區(qū)激光熔化成型鎂合金構(gòu)件過程中的常見缺陷，產(chǎn)生原因是激光在熔融鎂合金粉末時(shí)加熱不均勻?qū)е聹囟忍荻认嗖钶^大，鎂合金內(nèi)部存在較強(qiáng)應(yīng)力致使零件翹曲變形。裂紋與翹曲產(chǎn)生原因類似，成型過程中鎂合金熔凝速度過快、過冷度大等原因?qū)е聝?nèi)部積攢應(yīng)力無(wú)法釋放，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過鎂合金材料所能承受最大屈服強(qiáng)度后便產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象[50]。在成型前對(duì)鎂合金構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，結(jié)合實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出最佳的基板預(yù)熱溫度，降低成型過程中的溫度梯度差異，減少鎂合金構(gòu)件自身應(yīng)力[51]，能夠有效抑制選區(qū)激光熔化過程中的翹曲、裂紋等缺陷。

3.3 選區(qū)激光熔化成型鎂合金安全防護(hù)

相比其他種類金屬，鎂合金選區(qū)激光熔化成型的安全問題尤為突出。由于所用材料為微米級(jí)球形粉末，粉塵類物質(zhì)本身具有易爆性，粉塵顆粒越細(xì)小，比表面積大，表面儲(chǔ)存的吉布斯自由能越大。當(dāng)空間內(nèi)粉塵到達(dá)一定濃度后，遇到明火或靜電將會(huì)發(fā)生粉塵爆炸。如何安全、穩(wěn)定地對(duì)鎂合金進(jìn)行選區(qū)激光熔化成型是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵所在。

針對(duì)鎂合金等高活性材料的加工，國(guó)內(nèi)外廠商對(duì)選區(qū)激光熔化設(shè)備配置了安全保護(hù)系統(tǒng)。安全保護(hù)系統(tǒng)由惰性氣體發(fā)生或外接裝置、氧含量傳感裝置、氣體凈化子系統(tǒng)、增壓子系統(tǒng)組成，同時(shí)成型倉(cāng)具有良好的氣密性，為鎂合金材料提供了安全可靠的加工環(huán)境。不同于鈦合金、不銹鋼等材料的成型，鎂合金在成型過程中因燒損產(chǎn)生的大量煙塵會(huì)隨氣體循環(huán)進(jìn)入設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、過濾系統(tǒng)甚至氧含量傳感器內(nèi)，對(duì)設(shè)備硬件造成損害。因此，在長(zhǎng)時(shí)間打印鎂合金零件后需對(duì)成型倉(cāng)內(nèi)刮刀的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行清理，防止因煙塵堆積造成傳動(dòng)精度偏差;對(duì)于氧含量傳感裝置，需定期將其表面煙塵吹除，并使用異丙醇溶液進(jìn)行清潔，防止氧傳感器損壞。

在制造過程的安全防護(hù)方面，對(duì)鎂合金成型前需通過真空泵使成型倉(cāng)內(nèi)達(dá)到負(fù)壓狀態(tài)，再向其中通入氬氣等惰性氣體。對(duì)性質(zhì)活潑的金屬材料，需將氧氣含量降低至0.025%（體積比）以下再進(jìn)行加工[52]，且鎂合金的全部加工過程都應(yīng)在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行。此外，鎂合金粉末在進(jìn)行任何運(yùn)轉(zhuǎn)操作過程中同樣需受惰性氣體保護(hù)。

4 研究展望

未來全球制造業(yè)將面臨更深一步的數(shù)字化、智能化發(fā)展，選區(qū)激光熔化技術(shù)將顛覆延續(xù)百年的傳統(tǒng)制造業(yè)理念。通過選區(qū)激光熔化技術(shù)制備出比強(qiáng)度高、生物相容性好的鎂合金構(gòu)件，能夠進(jìn)一步提升其應(yīng)用價(jià)值。目前選區(qū)激光熔化對(duì)鎂合金的成型仍面臨燒損、成型缺陷等復(fù)雜問題，限制了鎂合金材料的應(yīng)用場(chǎng)景。本文從燒損抑制、成型缺陷、成型安全防護(hù)3個(gè)方面對(duì)選區(qū)激光熔化成型鎂合金的未來研究趨勢(shì)進(jìn)行探討。

1 ）鎂合金燒損抑制是當(dāng)前成型工藝研究面臨的最主要問題。在未來的研究中，從工藝方面抑制鎂合金的燒損將成為主要研究方向。通過迭代成型過程中熱源、熱發(fā)散等邊界條件設(shè)定，優(yōu)化工藝參數(shù)與鎂合金燒損關(guān)系模型，在滿足獲得良好力學(xué)性能的前提下盡可能降低激光能量密度來抑制鎂合金的燒損。此外，還可通過對(duì)設(shè)備倉(cāng)體內(nèi)部的氣體流動(dòng)進(jìn)行有限元仿真與分析，優(yōu)化成型倉(cāng)內(nèi)風(fēng)道的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使燒損產(chǎn)生的煙塵更高效地進(jìn)入循環(huán)過濾系統(tǒng);針對(duì)透鏡表面蒙蔽煙塵這一問題，應(yīng)設(shè)計(jì)自清潔機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低煙塵對(duì)激光能量輸出的影響。通過采用主動(dòng)抑塵與被動(dòng)抑塵相結(jié)合的方法，提高鎂合金構(gòu)件的成型質(zhì)量。

2 ）調(diào)控工藝，減少成型缺陷。選區(qū)激光熔化成型鎂合金過程中常出現(xiàn)制造缺陷的問題，嚴(yán)重危害鎂合金構(gòu)件的力學(xué)性能?，F(xiàn)有研究中對(duì)鎂合金的工藝優(yōu)化常使用致密度、力學(xué)性能等參數(shù)作為表征，通過顯微組織觀察分析，從缺陷發(fā)生機(jī)理的角度進(jìn)行研究較為少見。后續(xù)研究可從調(diào)控選區(qū)激光熔化成型鎂合金的工藝參數(shù)入手，結(jié)合微觀組織形態(tài)變化分析缺陷形成原因，實(shí)現(xiàn)對(duì)高性能鎂合金構(gòu)件的制備。在成型前使用工藝仿真軟件縮小實(shí)驗(yàn)窗口，通過少量實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，制備出高強(qiáng)度的鎂合金構(gòu)件，為其在多個(gè)重要領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

3 ）成型全過程安全防護(hù)。鎂合金粉末在大氣環(huán)境下易發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)，為選區(qū)激光熔化成型鎂合金帶來巨大安全隱患。當(dāng)前設(shè)備通常具有成型過程中的安全防護(hù)系統(tǒng)，但并未考慮粉末篩分、運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)對(duì)鎂合金粉末的隔氧與防護(hù)。選區(qū)激光熔化設(shè)備本身具有隔氧條件，將粉末篩分與存貯系統(tǒng)集成于設(shè)備內(nèi)，對(duì)已使用過的粉末實(shí)現(xiàn)從篩分循環(huán)利用到打印成型全過程絕氧進(jìn)行，能夠有效避免鎂合金粉末在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與空氣接觸發(fā)生氧化變質(zhì)，使易燃易爆類粉末的運(yùn)轉(zhuǎn)操作更加安全。

選區(qū)激光熔化制備的鎂合金構(gòu)件性能優(yōu)異，在生物醫(yī)療、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域均能發(fā)揮重要作用。選區(qū)激光熔化對(duì)鎂基材料的成型研究尚處于起步階段，雖然對(duì)多種鎂合金材料的成型工藝研究已取得了一定成果，但仍存在Mg元素?zé)龘p與成型缺陷等問題。在后續(xù)研究中，應(yīng)通過溫度場(chǎng)仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)一步抑制鎂合金在成型過程中的燒損行為，同時(shí)應(yīng)優(yōu)化設(shè)備的氣體循環(huán)系統(tǒng)與透鏡自清潔機(jī)構(gòu)，減小燒損煙塵對(duì)激光束的影響，通過調(diào)控成型工藝參數(shù)消除零件內(nèi)部成型缺陷，制備高性能的鎂合金構(gòu)件，并通過設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)選區(qū)激光熔化制備鎂合金構(gòu)件的全過程進(jìn)行防護(hù)，提高對(duì)鎂合金構(gòu)件成型的安全性。

參考文獻(xiàn)/References：

[1] LI Y，JAHR H，ZHANG X Y，et al.Biodegradation-affected fatigue behavior of additively manufactured porous magnesium[J].Additive Manufacturing，2019，28：299-311.

[2] 曾榮昌，崔藍(lán)月，柯偉.醫(yī)用鎂合金：成分、組織及腐蝕[J].金屬學(xué)報(bào)，2018，54（9）：1215-1235.

ZENG Rongchang，CUI Lanyue，KE Wei.Biomedical magnesium alloys：Composition，microstructure and corrosion[J].Acta Metallurgica Sinica，2018，54（9）：1215-1235.

[3] LI Y，ZHOU J，PAVANRAM P，et al.Additively manufactured biodegradable porous magnesium[J].Acta Biomaterialia，2018，67：378-392.

[4] 申琦，余森，牛金龍，等.選區(qū)激光熔化制備鎂基材料研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2019，33（sup1）：278-282.

SHEN Qi，YU Sen，NIU Jinlong，et al.Selective laser melting of magnesium-based materials：A review[J].Materials Review，2019，33（sup1）：278-282.

[5] 盧秉恒.增材制造技術(shù)——現(xiàn)狀與未來[J].中國(guó)機(jī)械工程，2020，31（1）：19-23.

LU Bingheng.Additive manufacturing-current situation and future[J].China Mechanical Engineering，2020，31（1）：19-23.

[6] VAFADAR A，GUZZOMI F，RASSAU A，et al.Advances in metal additive manufacturing：A review of common processes，industrial applications，and current challenges[J].Applied Sciences，2021，11（3）：1213.

[7] 王延慶，沈競(jìng)興，吳海全.3D打印材料應(yīng)用和研究現(xiàn)狀[J].航空材料學(xué)報(bào)，2016，36（4）：89-98.

WANG Yanqing，SHEN Jingxing，WU Haiquan.Application and research status of alternative materials for 3D-printing technology[J].Journal of Aeronautical Materials，2016，36（4）：89-98.

[8] GUNASEKARAN J，SEVVEL P，JOHN S I.Metallic materials fabrication by selective laser melting：A review[J].Materialstoday-Proceedings，2021，37（Part 2）：252-256.

[9] 張陽(yáng)軍，陳英.金屬材料增材制造技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].粉末冶金工業(yè)，2018，28（1）：63-67.

ZHANG Yangjun，CHEN Ying.Research on the application of metal additive manufacturing technology[J].Powder Metallurgy Industry，2018，28（1）：63-67.

[10]WANI Z K，ABDULLAHA B.A review on metal 3D printing：3D welding[J].IOP Conference Series-Materials Science and Engineering，2020，920（1）：12-15.

[11]尹燕，張圓，董開基，等.The development of 3D printing technology and the current situation of controlling defects in SLM technology[J].China Welding，2020，29（3）：9-19.

[12]SAPRYKIN A A，SHARKEEV Y P，SAPRYKINA N A，et al.Selective laser melting of magnesium[J].Key Engineering Materials，2020，839：144-149.

[13]劉景博，劉世鋒，楊鑫，等.金屬增材制造技術(shù)輕量化應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展，2020，39（2）：163-168.

LIU Jingbo，LIU Shifeng，YANG Xin，et al.Progress in lightweight application research of additive manufacturing technology[J].Materials China，2020，39（2）：163-168.

[14]CHUNG N G C，SAVALANI M，CHUNG M H.Fabrication of magnesium using selective laser melting technique[J].Rapid Prototyping Journal，2011，17（6）：479-490.

[15]LI W，LI S，LIU J，et al.Effect of heat treatment on AlSi10Mg alloy fabricated by selective laser melting：Microstructure evolution，mechanical properties and fracture mechanism[J].Materials Science and Engineering：A，2016，663：116-125.

[16]姜海燕，林衛(wèi)凱，吳世彪，等.激光選區(qū)熔化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2019（5）：223-226.

JIANG Haiyan，LIN Weikai，WU Shibiao，et al.Application status and development trend of laser selective melting technology[J].Mechanical Engineering & Automation，2019（5）：223-226.

[17]TIAN Q W.The development status of selective laser melting technology （SLM）[J].Journal of Physics- Conference Series，2021，1798（1）：12-45.

[18]SAVALANI M M，PIZARRO J M.Effect of preheat and layer thickness on selective laser melting （SLM） of magnesium[J].Rapid Prototyping Journal，2016，22（1）：115-122.

[19]ZHU Z，ZHANG M，CHEN C.Effect of selective laser melting on microstructure and properties of AZ91D alloy[J].Materialwissenschaft und Werkstofftechnik，2019，50（12）：1484-1494.

[20]CHEN J，HOU W，WANG X Z，et al.Microstructure，porosity and mechanical properties of selective laser melted AlSi10Mg[J].Chinese Journal of Aeronautics，2020，33（7）：2043-2054.

[21]程龍.選區(qū)激光熔化純鎂成型組織與腐蝕機(jī)理的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2016.

CHENG Long.Study on Microstructure and Corrosion Mechanism of Selective Laser Melting Magnesium Alloy[D].Chongqing：Chongqing University，2016.

[22]龐銘，浮藝旋.激光功率變化對(duì)AZ80D鎂合金熔凝區(qū)域性能影響的研究[J/OL].熱加工工藝.[2020-09-12].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？FileName=SJGY2020091000I&DbName=DKFX2020.

PANG Ming，F(xiàn)U Yixuan.Study on effect of laser power change on properties of melting area of AZ80D magnesium alloy[J/OL].Hot Working Technology.[2020-09-12].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？FileName=SJGY2020091000I&DbName=DKFX2020.

[23]張文奇，朱海紅，胡志恒，等.AlSi10Mg的激光選區(qū)熔化成形研究[J].金屬學(xué)報(bào)，2017，53（8）：918-926.

ZHANG Wenqi，ZHU Haihong，HU Zhiheng，et al.Study on the selective laser melting of AlSi10Mg[J].Acta Metallurgica Sinica，2017，53（8）：918-926.

[24]ZHANG B C，LIAO H L，CODDET C.Effects of processing parameters on properties of selective laser melting Mg-9%Al powder mixture[J].Materials & Design，2012，34：753-758.

[25]WEI K W，WANG Z M，ZENG X Y.Influence of element vaporization on formability，composition，microstructure，and mechanical performance of the selective laser melted Mg-Zn-Zr components[J].Materials Letters，2015，156：187-190.

[26]柳朝陽(yáng)，趙備備，李蘭杰，等.金屬材料3D打印技術(shù)研究進(jìn)展[J].粉末冶金工業(yè)，2020，30（2）：83-89.

LIU Chaoyang，ZHAO Beibei，LI Lanjie，et al.Research progress of 3D printing technology for metallic materials[J].Powder Metallurgy Industry，2020，30（2）：83-89.

[27]謝轍.選區(qū)激光熔化成形AZ91D鎂合金的工藝與機(jī)理研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

XIE Zhe.Research on Processing and Mechanism of AZ91d Magnesium Alloy by Selective Laser Melting [D].Wuhan：Huazhong Univer-sity of Science and Technology，2013.

[28]魏愷文，王澤敏，曾曉雁.AZ91D鎂合金在激光選區(qū)熔化成形中的元素?zé)龘p[J].金屬學(xué)報(bào)，2016，52（2）：184-190.

WEI Kaiwen，WANG Zemin，ZENG Xiaoyan.Element loss of AZ91d magnesium alloy during selective laser melting process[J].Acta Metallurgica Sinica，2016，52（2）：184-190.

[29]楊光，劉雪東，王琮瑋，等.基于溫度場(chǎng)模擬的鎂合金SLM元素?zé)龘p行為研究[J/OL].航空學(xué)報(bào).[2021-08-18].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20210817.1022.040.html.

YANG Guang，LIU Xuedong，WANG Congwei，et al.Research on SLM element burning behavior of magnesium alloy based on temperature field simulation[J/OL].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica.[2021-08-18].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20210817.1022.040.html.

[30]PANWISAWAS C，TANG Y T，REED R C.Metal 3D printing as a disruptive technology for superalloys[J].Nature Communications，2020，11（1）：4671-4686.

[31]王楠楠，曹麗杰，殷凱.攪拌摩擦加工對(duì)AM60B鎂合金高溫摩擦磨損性能的影響[J].潤(rùn)滑與密封，2020，45（8）：107-114.

WANG Nannan，CAO Lijie，YIN Kai.Effect of friction stir processing on high temperature friction and wear properties of AM60B magnesium alloy[J].Lubrication Engineering，2020，45（8）：107-114.

[32]SAPRYKIN A A，SHARKEEV Y P，SAPRYKINA N A，et al.Selective laser melting of magnesium[J].Key Engineering Materials，2020，839：144-149.

[33]李淮陽(yáng)，黎振華，楊睿，等.選區(qū)激光熔化金屬表面成形質(zhì)量控制的研究進(jìn)展[J].表面技術(shù)，2020，49（9）：118-124.

LI Huaiyang，LI Zhenhua，YANG Rui，et al.Research progress in forming quality control of selective laser melting metal surface[J].Surface Technology，2020，49（9）：118-124.

[34]袁景光，李宇，劉京南，等.選區(qū)激光熔化金屬成型熔池溫度的在線檢測(cè)[J].中國(guó)激光，2020，47（3）：158-166.

YUAN Jingguang，LI Yu，LIU Jingnan，et al.Online detection of molten pool temperature during metal forming based on selective laser melting[J].Chinese Journal of Lasers，2020，47（3）：158-166.

[35]戴永年，楊斌.有色金屬材料的真空冶金[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

[36]李明照，范晉平.真空熔煉時(shí)AZ31中Mg，Zn揮發(fā)行為及組織與性能[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，28（5）：462-466.

LI Mingzhao，F(xiàn)AN Jinping.Volatilization behavior and microstructure，properties of Mg，Zn in AZ31 during vacuum melt[J].Journal of North University of China（Natural Science Edition），2007，28（5）：462-466.

[37]張金玲，王社斌，衛(wèi)英慧，等.真空熔煉AZ91鎂合金過程中Mg元素的蒸發(fā)行為[J].稀有金屬材料與工程，2007，36（9）：1601-1604.

ZHANG Jinling，WANG Shebin，WEI Yinghui，et al.The evaporation of Mg during vacuum smelting of AZ91 magnesium alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering，2007，36（9）：1601-1604.

[38]朱文志，黨明珠，田健，等.激光能量密度對(duì)激光選區(qū)熔化Cu-Al-Ni-Ti合金相對(duì)密度、微觀組織和力學(xué)性能的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2020，56（15）：53-64.

ZHU Wenzhi，DANG Mingzhu，TIAN Jian，et al.Effect of laser energy density on relative density，microstructure and mechanical properties of Cu-Al-Ni-Ti alloy fabricated by selective laser melting[J].Journal of Mechanical Engineering，2020，56（15）：53-64.

[39]ZHANG W N，WANG L Z，F(xiàn)ENG Z X，et al.Research progress on selective laser melting （SLM） of magnesium alloys：A review[J].Optik，2020，207：1-15.

[40]楊雄文，楊永強(qiáng)，劉洋，等.激光選區(qū)熔化成型典型幾何特征尺寸精度研究[J].中國(guó)激光，2015，42（3）：70-79.

YANG Xiongwen，YANG Yongqiang，LIU Yang，et al.Study on dimensional accuracy of typical geometric features manufactured by selective laser melting[J].Chinese Journal of Lasers，2015，42（3）：70-79.

[41]馬方正.AZ91D鎂合金粉末選區(qū)激光熔化成型工藝的研究[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2017.

MA Fangzheng.Selective Laser Melting Forming of AZ91D Magnesium Alloy Powder Process Research [D].Shijiazhuang：Hebei Univer-sity of Science and Technology，2017.

[42]ZHANG L，ZHANG S S，ZHU H H.Effect of scanning strategy on geometric accuracy of the circle structure fabricated by selective laser melting[J].Journal of Manufacturing Processes，2021，64：907-915.

[43]潘露，劉麒慧，王亮，等.線能量密度對(duì)選區(qū)激光熔化制備316L不銹鋼缺陷的影響[J].應(yīng)用激光，2019，39（1）：17-23.

PAN Lu，LIU Qihui，WANG Liang，et al.Effect of line energy density on defects of 316L stainless steel prepared by selective laser melting[J].Applied Laser，2019，39（1）：17-23.

[44]宗學(xué)文，高倩，周宏志，等.體激光能量密度對(duì)選區(qū)激光熔化316L不銹鋼各向異性的影響[J].中國(guó)激光，2019，46（5）：344-350.

ZONG Xuewen，GAO Qian，ZHOU Hongzhi，et al.Effects of bulk laser energy density on anisotropy of selective laser sintered 316L stainless steel[J].Chinese Journal of Lasers，2019，46（5）：344-350.

[45]李勇，許鶴君，李凱，等.體能量密度對(duì)選區(qū)激光熔化成形Hastelloy X合金組織及性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2020，44（5）：38-43.

LI Yong，XU Hejun，LI Kai，et al.Effect of volumetric energy density on microstructure and properties of hastelloy X alloy manufactured by selective laser melting[J].Materials for Mechanical Engineering，2020，44（5）：38-43.

[46]朱云天，杜開平，沈婕，等.激光能量密度對(duì)選區(qū)激光熔化（SLM）制品性能的影響及其機(jī)理研究[J].熱噴涂技術(shù)，2017，9（2）：35-41.

ZHU Yuntian，DU Kaiping，SHEN Jie，et al.The study of the inlfuences of laser energy density to the properties of SLM products and its mechanism[J].Thermal Spray Technology，2017，9（2）：35-41.

[47]LIU S，GUO H J.Balling behavior of selective laser melting （SLM） magnesium alloy[J].Materials，2020，13（16）：3632.

[48]唐超蘭，溫竟青，張偉祥，等.鈦合金3D打印成形技術(shù)及缺陷[J].航空材料學(xué)報(bào)，2019，39（1）：38-47.

TANG Chaolan，WEN Jingqing，ZHANG Weixiang，et al.3D printing technology fortitanium alloy and its defect[J].Journal of Aeronautical Materials，2019，39（1）：38-47.

[49]劉暢，馬行馳，馬海彬.工藝參數(shù)對(duì)選區(qū)激光熔化成型316L不銹鋼組織結(jié)構(gòu)的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（8）：3011-3016.

LIU Chang，MAXingchi，MA Haibin.Effect of technological parameters on microstructure of 316L stainless steel by selective laser melting[J].Science Technology and Engineering，2020，20（8）：3011-3016.

[50]LI Y L，GU D D.Parametric analysis of thermal behavior during selective laser melting additive manufacturing of aluminum alloy powder[J].Materials & Design，2014，63：856-867.

[51]李保強(qiáng)，李忠華，白培康，等.選區(qū)激光熔化AlSi10Mg應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J].應(yīng)用激光，2019，39（2）：211-216.

LI Baoqiang，LI Zhonghua，BAI Peikang，et al.Numerical simulation of stress field for AlSil0Mg fabricated by selective laser melting[J].Applied Laser，2019，39（2）：211-216.

[52]SALEHI M，MALEKSAEEDI S，F(xiàn)ARNOUSH H，et al.An investigation into interaction between magnesium powder and Ar gas：Implications for selective laser melting of magnesium[J].Powder Technology，2018，333：252-261.

3927500338299