如今镁合金已经广泛应用于航空、航天、汽车、电子通讯等领域。传统的铸造方式早已不能满足镁合金发挥轻量化的优势与复杂结构件成型的要求，随着技术的不断发展3D打印增材技术已经很好的融入到镁合金的制造中去。

3月20日，中国工程院院士、南京理工大学化工学院教授王泽山在2023襄阳引资聚才高质量发展大会院士专家座谈会上发表讲话，同时带来了投资55亿元的镁、铝新材料项目。

项目主要聚焦铝、镁等含能金属及复合金属等金属材料在航天、航空等领域的产业化应用，产品包括镁合金和铝合金铸造与塑性成形，镁基生物材料、新型能源材料、特种能源材料的合成，梯度功能复合材料、合金粉末、磁性材料与器件、废弃含能材料应用，增材制造技术与装备的技术研发、技术服务、产品生产、销售等。预计一期项目达产后，年销售收入50亿元以上。

一、关于镁合金

镁合金是以镁为基础，添加其他元素的合金，如铝、锌、锰、铺、针和少量的错或镉。镁合金具有密度低，强度高，弹性模量大，散热性好，减震性好等优点，且承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱腐蚀性能好。

镁合金作为最轻的金属结构材料，密度仅为1.74g/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。

二、增材制造突破了镁合金的加工铸造方式

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。

三、镁合金增材制造技术的分类

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。

金属材料的增材制造过程与熔融热源特点息息相关，基于先进连接技术的进步，金属材料的增材制造得到了迅速的发展。目前，市面上主流的镁合金增材制造技术按照熔融热源可以分为SLM、WAAM、FSAM。

1、选区激光熔化技术

选区激光熔化技术（SLM）采用激光作为热源对金属粉末逐层扫描来获得设计的金属零件，适用于制造小体积，结构复杂，对精度要求较高的零件。激光能量密度较高，斑点中心温度远高于镁合金沸点，在成形过程中常发生镁合金蒸发和元素烧损。另外，实验结果容易受各种条件（粉末形状及尺寸、实验系统、环境）影响，工艺窗口狭窄，参数选择不当会导致成形表面质量较差，出现球化和蒸发等缺陷。

目前国内外对镁合金 SLM的研究仍处于发展的初步阶段，几乎所有的研究都是通过大量实验探索合适的工艺参数，对比其微观结构、力学性能，相关研究尚未成熟。由于各实验中最优工艺参数与实验系统、硬件设备等因素密切相关，实验的可重复性较低，这使得各实验的最优工艺参数的实用价值不明显。现有的实验结果难以建立准确的理论模型，加深建模和仿真方面的研究将有助于镁合金 SLM的广泛应用。

2、电弧熔丝沉积技术

电弧熔丝沉积技术（WAAM）依靠焊接电弧熔化焊丝沉积成形，具有低成本，沉积效率高等优点，适合较大体积复杂结构的增材制造。电弧热源热输入较大，在WAAM成形过程中易出现热裂纹和气孔，并产生严重的热积累效应，试样下层经受高温热积累和多次热循环往往会发生晶粒粗化和晶粒取向改变，而热应力引起的材料变形则会导致成形精度下降。现阶段研究主要集中在单道单层和单道多层堆焊成形和组织性能方面。

3、固态搅拌摩擦增材技术

固态搅拌摩擦增材制造（FSAM）是通过搅拌头的旋转和移动与层叠的薄板产生摩擦热来使材料发生塑性变形并熔合在一起，具有制造效率高、性能优良等优点，适用于较大体积构件的增材制造。在传统镁合金加工制造过程中常遇到粗晶、热裂纹、气孔、氧化和蒸发等诸多问题。与传统制造技术相比，FSAM工艺的热输入更少、热影响区更窄、并且基于搅拌摩擦动态再结晶过程可以获得超细晶粒，有效的减少了传统制造技术中的缺陷，使 FSAM工艺成为最适合于进行镁合金增材制造的工艺之一。不过采用 FSAM工艺制造镁合金目前还存在一定的问题，增材制造后试样中的孔隙、带状组织和钩状缺陷无法得到良好的解决。三种镁合金增材制造工艺在适用条件，制造效率，热源能量输入，以及增材后构件的组织形貌等方面有明显的区别，其工艺特点对比如下表所示。

此外，增材制造工艺中的安全问题至关重要，在SLM工艺中，由于所用镁粉材料热积聚快，表面积大，彼此间不能充分散热，在与氧接触的情况下极易发生燃烧和爆炸，需要严格遵守镁合金粉末在保存和使用过程中的规范性操作，安全隐患尤为突出；WAAM工艺中，由于采用镁合金焊丝作为原材料，制造过程不易发生燃烧和爆炸，安全性高；FSAM工艺中，通常选用镁合金板材、丝材或粉材作为原材料，但是作为固相增材制造工艺的一种，其制造过程温度较低，只是将材料加热至热塑性状态而非熔化状态，并且制造件尺寸大散热好，因此制造过程较为安全。

四、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。

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。

文章来源： 前沿科技FrontierTec，南极熊3D打印网，齐家