摘要：镁合金是当前使用的最轻质的金属结构材料，相比于其它金属结构材料具有高比强度、高比刚度的优点。除此以外，镁合金还能够回收再利用。镁合金的这些特质能够在一定程度上促进工业领域实现轻量化，具有较为广阔的应用前景。增材制造技术则是近年来兴起的一种较为先进的制造技术，制造效率要远远高于传统制造技术。两相结合，镁合金增材制造技术的研究无疑拥有较好的应用前景。

　　关键词：镁合金；增材制造；镁合金制造

　　金属增材制造技术相比于其它的增材制造技术具有材料利用率高、制造效率高以及产品性能好的特点。基于此，金属增材制造技术在航空航天领域、生物医用领域乃至于军事领域都得到了较为广泛的应用。但与此相对的是，镁合金较为活泼的化学性质和较低的熔沸点使得镁合金增材制造技术研究起来难度较大，进而使得镁合金增材制造技术远远落后于其他金属材料的增材制造技术。

　　1镁合金概述

　　1.1镁合金的分类

　　纯镁的强度很低，因此纯镁基本上不会被直接使用，而是会经过合金化处理。对纯镁进行合金化处理，就是向纯镁中加入一些其他的合金元素，进而使纯镁成为具有预期性能的镁合金。当前情况下，对镁进行合金化处理，提升镁的性能已经成为较为常用的方法。加入合金元素的不同，会产生不同组织和不同性能的镁合金，其中最为常见的合金元素有铝、锌、钙、锰、锆和稀土等。根据镁中添加的合金元素，镁合金的种类可以分为镁铝系、镁锌系、镁钙系以及镁锰系等，这些镁合金统称为二元合金。除了二元合金以外，镁合金还可以被分为三元合金，三元合金主要有镁铝锌系、镁铝锰系、镁锌锆系等。镁铝锌这样的三元镁合金是在镁铝系镁合金的基础上衍生出来的，在镁铝合金中加入恰当分量的锌元素能够有效减轻铁、镍等杂质元素的不良影响，进而提升镁铝合金的力学性能和耐腐蚀性能，因此，镁铝锌合金是镁合金增材制造技术中应用范围最广的镁合金。镁锌锆系的镁合金是在镁锌系镁合金的基础上发展而来的。实验表明，在镁合金中加入锆元素以后能够有效减少镁合金的晶粒尺寸，进而提升镁合金的力学性能，有望应用于生物医用材料。除此以外，在镁中加入稀土元素构成的镁合金具有较好的拉伸性能。但相比于其它的合金元素，稀土元素的成本要高一些，因此，稀土镁合金的增材制造较为少见。但因其优越的性能，开发出低成本的稀土镁合金，对镁合金增材制造技术来说有着较为重要的意义。

　　1.2镁合金的应用领域

　　镁合金质量相对来说比较轻，而且还具有比强度高、比刚度高、吸震性能好、电磁屏蔽性能好以及生物相容性好等特质，因此，近年来，镁合金在汽车领域、电子领域、医疗卫生领域以及航空航天领域等得到了较为广泛的应用。截止到目前，应用在汽车领域上的镁合金已经有60多种，镁合金在汽车领域中的应用能够在很大程度上降低汽车的油耗，进而达到节约能源的目的。除此以外，镁合金所具有的较好的生物相容性，使得镁合金的弹性模量与人体骨骼的弹性模量极为接近。因此，近年来，镁合金在生物医用领域中的应用范围也在逐渐扩大。鉴于镁合金应用领域的逐年扩展，人们也愈加关注镁合金构件的成型制造技术。传统的镁合金构件制造技术主要是轧制、挤压以及铸造等。传统的制造技术虽然也能够使镁合金构件具有较好的力学性能，但传统的制造技术往往需要较长的加工周期，材料的利用效率也比较低，总体而言制造效果不太理想。近年来兴起的增材制造技术则很好的规避了传统制造技术的缺点，提高了镁合金的制造效率。

　　2增材制造技术概述

　　增材制造技术也叫3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，通过计算机的软件与数控系统将各种要用到的材料，按照挤压、熔融、喷射等方式逐层进行堆积，进而制造出实体物品的制造技术。与传统的制造模式不同，增材制造技术是一种自下而上的制造方法。近年来，增材制造技术取得了较为快速的发展，具有较为广阔的发展前景。增材制造技术不需要较多的加工工序，只需要一台设备就可以高效率、高精度、高质量的制造出任意形状的构件。因此，增材制造技术的出现和发展，减少了许多加工工序，提高了加工效率，解决了很多构件制造上的难题。

　　3镁合金增材制造技术介绍

　　镁合金的增材制造过程与焊接热源的特点有着极为密切的关系。因此，焊接技术的进步也使得镁合金的增材制造技术得到了较为迅速地发展。镁合金的增材制造技术以焊接热源为分类基础可以分为激光选区熔化增材制造技术、电弧增材制造技术以及搅拌摩擦增材制造技术。

　　3.1激光选区熔化增材制造技术

　　激光选区熔化增材制造技术是将激光作为热源，再将粉末铺放在粉末床上，粉末铺放好以后，热源就会按照设定好的激光扫描路径完成粉末的熔化工作，熔化好一层以后，工作台就会下降，工作台下降以后就要重新进行粉末的铺放工作，再进行粉末的熔化工作，如此往复，层层堆积直至实现镁合金零部件的增材制造。激光选区熔化增材制造技术是当前镁合金增材制造技术中使用频率最高的制造方法，其具有以下四个特点：

　　第一，激光选区熔化增材制造技术的光斑直径比较小，能量输入比较集中。激光选区熔化增材制造技术的这一特点，使得激光选区熔化增材制造技术能够制造出小巧的、复杂的镁合金零部件，比如生物医用支架。除此以外，激光选区熔化增材制造技术制造出来的镁合金还具有较好的质量。但与之相对的是，激光选区熔化增材制造技术的生产效率较低，可加工的镁合金尺寸基于设备的限制也比较小，因此，激光选区熔化增材制造技术既不能快速加工，也不能加工尺寸较大的镁合金零部件。第二，激光选区熔化增材制造技术增材过程中所产生的内应力比较小。基于这一特点，激光选区熔化增材制造技术可以减少增材试样内部的残余应力，进而降低镁合金出现裂纹的概率。第三，激光选区熔化增材制造技术对粉末具有较高的要求。因此，在使用激光选区熔化增材制造技术时，要提高铺粉的均匀性。与此同时，激光选区熔化增材制造技术对粉末的利用率较低，进而会增加镁合金的增材制造成本。第四，激光选区熔化增材制造技术具有较高的孔隙率。基于激光选区熔化增材制造技术的激光能量输入比较高，镁合金的熔沸点较低，镁元素很容易出现氧化和挥发的现象，进而就会影响到镁合金的成分组成。虽然当前人们已经通过调整工艺参数的方式，得到了相对密度较高的镁合金试样,但激光选区熔化增材制造技术制造出完全致密的镁合金的可能性仍然比较低。

　　3.2电弧增材制造技术

　　电弧增材制造技术是一种以熔敷技术和堆焊技术为基础，以电弧为热源，以金属丝为材料，在原有堆积层上不断堆积的镁合金增材制造方法。较为常见的电弧增材制造技术有熔化极气体保护焊技术、钨极气体保护焊技术以及冷金属过渡弧焊技术等。相较于其他的电弧增材制造技术，熔化极气体保护焊技术的沉积速率要快一些，是钨极气体保护焊技术的两倍。但是熔化极气体保护焊技术在焊接的过程中产生烟雾和飞溅的概率也比较高，而烟雾和飞溅会在很大程度上影响镁合金的增材质量。冷金属过渡弧焊技术是一种冷金属的过渡技术，基于其技术特性，冷金属过渡弧焊技术的能量输入是电弧增材制造技术中最低的。但这也使得增材过程中的能量输入能够得到有效控制。

　　电弧增材制造技术总体而言有以下三个特点：第一，电弧增材制造技术具有较快的沉积速率。电弧增材制造技术在合理的工艺参数下能够达到每小时666cm3，要远远快于其他的增材制造技术。与此同时，电弧增材制造技术所用到的加工设备虽然简单，但却可以完成大型镁合金零部件的加工。第二，电弧增材制造技术具有较高的能量利用率。以激光和粉末为基础的激光选区熔化镁合金增材制造技术仅有14%的沉积效率和20%~50%的能量效率，激光选区熔化镁合金增材制造技术能量利用率低主要是因为粉末对能量束具有一定的反射作用，进而受到热源的影响。但电弧增材制造技术却不同，以丝材和电弧为基础的电弧增材制造技术能够达到100%的沉积效率，能量效率也能达到54%~88%。这是因为丝材和电弧对能量束不具有反射作用，不会受到影响。第三，电弧增材制造技术制造的镁合金零部件质量较差。电弧增材制造技术所用到的熔池尺寸比较大，熔融的金属温度比较高，流动性也比较强，进而使得镁合金试样的表面质量会比较差，相应的镁合金成型精度也会比激光选区熔化增材制造技术低。电弧增材制造技术很难对镁合金进行精密加工，电弧增材制造技术制造出来的镁合金零部件也不能直接应用，而是要经过处理才可以。但近年来，增材制造技术越发成熟，有关镁合金的增材制造技术也随之有了较为明显的进步。比如镁元素容易挥发、氧化，成型质量差的问题，就有技术人员提出了高压舱室的制造方法，即在高压舱内完成镁合金的增材制造。高压舱内的高压可以大幅度提高镁元素的蒸发温度，进而抑制镁元素的挥发和氧化。但目前建造出来的高压舱室都比较小，因此，目前只能进行小型镁合金零部件的加工。同时，基于镁活泼性质高的特点，在高压舱室进行镁的增材制造具有较高的危险性，基于此，高压舱室的大规模推广需要慎重。

　　3.3搅拌摩擦增材制造技术

　　搅拌摩擦增材制造技术是一种通过搅拌头的旋转和移动与层叠的薄板产生摩擦热，进而使材料发生塑性变形并熔合在一起的镁合金增材制造技术。搅拌摩擦增材制造技术相比于其他的镁合金增材制造技术具有制造效率高、质量高的特点。基于其制造原理，搅拌摩擦增材制造技术比较适合体积较大的镁合金构件的增材制造。传统的镁合金制造技术在进行加工制造的时候经常会出现粗晶、热裂纹、气孔以及氧化挥发等诸多现象。但搅拌摩擦增材制造技术能够很好的规避掉这些现象。相较于传统的镁合金制造技术，搅拌摩擦增材制造技术具有更少的热输入、更窄的热影响区，镁元素氧化挥发的可能性大大降低。除此以外，搅拌摩擦增材制造技术搅拌摩擦动态再结晶的镁合金制造过程可以获得极细的晶粒，进而有效避免粗晶现象的发生，弥补了传统镁合金制造技术的缺陷。基于此，搅拌摩擦增材制造技术是最适合进行镁合金增材制造的技术之一。但搅拌摩擦增材制造技术也并不是完美的，搅拌摩擦增材制造技术在制造镁合金的过程中也会出现一些问题，比如增材制造后镁合金试样中的孔隙、带状组织和钩状缺陷等问题目前还没有有效的解决办法。

　　4镁合金增材制造技术的研究现状

　　4.1激光选区熔化增材制造技术的研究现状

　　当前对激光选区熔化增材制造技术的研究主要集中在粉末特征、激光功率密度、扫描速度等参数的探究上。基于此，重要参数的识别对激光选区熔化增材制造技术的研究很重要。有实验表明，激光功率和扫描速度是决定激光选区熔化增材制造技术制造质量的关键因素。激光功率和扫描速度过低时镁合金的粉末会达不到完全熔化的程度，进而使得镁合金粉末在制造的过程中出现烧结和高孔隙率现象。激光功率和扫描速度过高则会使镁合金粉末烧损严重，大量蒸发。除了激光功率和扫描速度以外，激光选区熔化增材制造技术在镁合金粉末种类、尺寸精度等方面也具有较为广阔的研究空间。

　　4.2电弧增材制造技术的研究现状

　　对电弧增材制造技术的研究则主要集中在非熔化极惰性气体钨极保护焊和熔化极惰性气体保护焊上，当电弧的热输入较大时，在镁合金的增材制造过程中就容易产生热积累现象，并且热积累现象的出现概率还会随着沉积层数的增加而增加。除了电弧的热输入以外，电弧增材制造技术在焊接速度以及送丝速度等方面也具有一定的研究价值，研究人员通过研究焊接速度以及送丝速度对镁合金增材制造的影响，进一步证明了电弧增材制造技术在镁合金增材制造上的可行性。

　　4.3搅拌摩擦增材制造技术

　　搅拌摩擦增材制造技术在制造镁合金的过程中通常会出现孔隙、带状组织和钩状缺陷等问题，因此，对于搅拌摩擦增材制造技术的研究主要集中于孔隙、带状组织和钩状缺陷等问题的诱发原因上。研究人员通过研究发现，制造镁合金的过程中，热输入不够会使得熔敷金属的塑性变形达不到标准要求，进而使得镁合金内部不能完全闭合，进而形成孔隙。热输入过大则会使得搅拌头前侧的制造材料膨胀溢出，回填不充分，进而出现钩状缺陷和带状组织。

　　5镁合金增材制造技术中存在的一些问题

　　5.1镁合金增材制造的原材料

　　镁合金增材制造的主要原材料为粉末和丝材，基于此，粉末和丝材的品质就决定着镁合金增材制造的质量。镁合金粉末和丝材的品质好，镁合金增材制造的质量就高，反之镁合金增材制造的质量就差。就目前而言，在镁合金的增材制造上，并没有对于镁合金粉末和丝材实行的统一标准要求。与此同时，镁元素的性质较为活泼，与氧元素具有较强的亲和力。因此，相较于其他的合金，制作镁合金粉末时降低氧含量，缩小粉末的粒径分布，提高粉末的质量要更有难度。镁的结构为密排六方，基于此，镁合金的塑性也比较差，增材制造小直径镁合金丝材的难度相对来说也会比较大，进而使得丝材的连续性、均匀性以及表面质量难以得到有效保障。除此以外，镁合金粉末的利用率在增材制造的过程中也比较低，并且粉末还会受到热源的影响，进而被氧化或烧结。

　　5.2镁合金成分的控制

　　镁元素的性质较为活泼，因此在进行镁合金的增材制造时必须要在真空或保护气罩下进行。同时，镁合金的熔沸点比较低、蒸气压比较高，在进行增材制造的时候会使镁元素出现较为严重的挥发现象，进而使得镁合金的成分会比较难控制。当前对镁合金增材制造的研究主要集中在镁铝锌系合金上，较少涉及到其他系的镁合金，稀土系镁合金的增材制造研究最少。当前情况下，虽然增材制造技术制造出来的镁合金在力学性能方面已经能够达到镁合金的力学性能标准，但是镁合金的增材制造仍然还存在着试样内部组织不均匀、应力残余以及裂纹等缺陷。5.3镁合金的工艺参数

　　进行镁合金增材制造时，镁合金的制造会受到较多工艺参数的影响，但目前有关工艺参数影响的试验数据较少，基于此，引入数值模拟技术可以在一定程度上对镁合金增材制造过程中的缺陷进行控制和组织调控。除此以外，增材制造的工艺参数也会影响到镁合金的表面质量、尺寸精度以及稳定性，因此，有必要开发出在线监测和智能化控制系统，进而更好的监测和控制镁合金的表面质量和尺寸精度。

　　6结论

　　综上所述，镁合金增材制造技术可广泛应用于多个领域，具有较好的应用前景，但目前镁合金增材制造技术在研究过程中仍然还存在着一些难点与问题，基于此，本文从镁合金概述、增材制造技术概述、镁合金增材制造技术介绍、镁合金增材制造技术的研究现状、镁合金增材制造技术中存在的一些问题这五个角度出发，对镁合金增材制造技术进行了论述。