航空航天、武器装备等重要领域对轻量化材料的需求日益迫切,镁合金ZA73M镁合金作为质量轻的金属结构材料逐渐受到广泛关注,镁合金的增材制造也开始受到材料界越来越多的重视。
纯镁由于其强度太低而很少被直接使用,在增材制造中常用镁合金按牌号分为 AZ系列(AZ31, AZ61,AZ80,AZ91),ZK系列(ZK60,ZK61),WE系列(WE43,WE54,WE93)。根据标准 GB/T5153-2016,不同牌号的镁合金化学成分如表 2所示。AZ系列(Mg-Al-Zn)镁合金是以 Mg-Al系镁合金为基础发展而来的,适量的 Zn元素添加可以提升试件的抗蠕变性能并减轻镁合金中的 Fe、Ni等杂质元素对腐蚀性能所造成的不利影响,具有均衡的力学性能和一定的耐腐蚀能力,是目前在增材制造研究中应用广泛的镁合金。ZK系列(Mg-Zn-Zr)镁合金是在Mg-Zn系镁合金的基础上添加 Zr元素发展而来,研究表明镁中添加 Zr元素后可以有效的细化晶粒,且有着较强的固溶强化作用,提升镁合金的力学性能,是一种很有研究前景的生物医用材料。WE(Mg-RE)系列镁合金属于稀土镁合金,添加稀土元素的镁合金在室温下表现出良好的抗蠕变性能和拉伸性能。然而,稀土元素成本较高,目前对增材制造的研究主要集中在 AZ系镁合金,对其他系合金尤其是稀土镁合金的增材制造研究较少,开发低成本、的稀土镁合金对镁合金增材制造的研究具有重要意义。
镁合金具有良好的导热和导电性能,虽然镁合金的导热能力不及铝合金,但远塑料、树脂,同时镁合金具有良好的电磁屏蔽性能,非常适合用于制造电子产品的金属外壳、机罩。一些电子通讯品牌企业已经成功将镁合金用于制造个人便携式电脑、手机、摄录影器材等电子产品外壳。在2003年出货的3000万台笔记本电脑中,采用铝和塑胶机壳的比重达75%,使用镁合金的比重仅25%,但2004年笔记本电脑采用镁合金机壳的比重就提高到了50%以上。
镁的电极电位低,化学性质活泼,导致镁合金产品容易腐蚀。因此,腐蚀问题也是阻碍镁合金应用的一个关键因素。改善镁合金的耐蚀性能,目前主要有两种技术方式,一种是通过合金化和纯净化处理来提高镁合金基体本身的电极电位,或者形成表面自愈合防护膜,增强自身对环境腐蚀的抵抗能力;另一种是通过表面防护处理,形成表面保护膜而防止基体的腐蚀。由于前者受到镁自身化学特性的限制,未取得应用上的突破性进展,故目前国内外多致力于表面防护技术的研究开发,在目前广泛使用的微弧氧化表面处理技术基础开拓了一些新的表面处理技术,并取得了较好的成果。
近年来,镁合金的增材制造受到材料界越来越多的重视,增材制造突破了传统制造的限制,具有、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,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。然而,要进一步发展镁合金的增材制造技术,还需要克服许多困难,如增材制造镁合金产品延展性相对较差、产品一致性不足以及原材料镁粉的安全与成本等问题。
镁合金在轻量化发展和设备制造领域中具有重要作用。镁用量的逐年上升表明了镁合金市场需求的不断增大。增材制造技术可直接实现部件的净成形,扩大镁合金的应用领域,也为“3D打印”新型物理结构带来了新的前景。
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