选区激光熔化精密制造镁合金零部件的关键科学问题研究

镁合金因质轻、比强度高在航空航天、交通运输行业中得到越来越广泛的应用。但由于镁合金的流动性较差、性能活泼而在复杂结构件制造方面受到了限制。选区激光熔化技术是近几年发展十分迅速的近净成形和快速制造技术，它具有制造精度高，零部件的组织结构致密、性能优良等一系列优点，将其应用于镁合金的快速制造，可以在实现精确成型的同时，确保整体力学性能和质量。本项目将系统研究选区激光熔化成形时，激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描方式、单层厚度增量、保护气氛等参数对镁合金的凝固结晶、组织结构特征和机械性能的影响规律、冶金缺陷的产生规律，以及镁合金零部件的精度、表面粗糙度的影响规律等，相关研究内容涉及众多全新的科学问题，此前未见到同类文献报道。研究成果可以丰富与发展金属材料选区激光熔化技术与基础理论，为镁合金的快速、优质、精密成形并在工业领域得到广泛应用开辟一条新的道路。

选区激光熔化成形（SLM）镁合金技术是当前国际前沿课题。本项目系统研究了SLM成形AZ91D与ZK61镁合金零部件的关键科学问题，基本掌握了激光工艺参数对镁合金成形件成分、显微组织、冶金缺陷和力学性能的影响规律。主要结果总结如下：1）镁合金成形时，低熔点、低沸点组元将发生严重烧蚀现象，所形成烟雾严重影响成形过程与质量。其中，AZ91D只有镁原子出现严重烧蚀，镁铝原子比甚至降低1倍以上；ZK61则出现镁及锌原子的烧蚀，且锌的烧蚀程度高于镁；2）AZ91D成形件由晶粒尺寸为1～3 μm的细小等轴α-Mg基体与沿α-Mg晶界网状分布的离异共晶β-Mg17Al12相构成，β-Mg17Al12相比例随着工艺参数而变化；3）SLM成形镁合金构件的宏观成分基本均匀，但存在一定程度的微观偏析现象，熔池内部剧烈的Marangoni对流以及因非平衡凝固固/液界面快速推进所导致的“溶质捕获”现象是确保镁合金构件成分均匀性的主要原因；4）镁合金样品的致密度与激光能量密度基本呈正相关。采用优化的工艺参数，AZ91D及ZK61的最高致密度可分别达到99.52 %和99.14 %，能够满足工业应用的要求。在众多工艺参数中，扫描速度对成形致密度的影响最大；5）SLM成形镁合金时的主要冶金缺陷包括气孔与裂纹，气孔率对激光工艺参数非常敏感；6）最佳工艺条件下AZ91D成形试样的断裂强度可达294-298MPa，比同成分铸件高出28.7%；屈服强度251-256MPa，比同成分铸件高出58.8%，但是平均延伸率比同成分铸件降低了38.8%。AZ91D成形试样的拉伸断口呈现韧性-脆性混合断裂特征。在晶粒细化和固溶强化的共同作用下，SLM成形的AZ91D及ZK61试样的最大显微硬度分别为Hv101和Hv163，高于同成分铸态试样；7）ZK61成形构件由α-Mg基体及Mg0.97Zn0.03析出相组成，后者对于构件的强韧性匹配提高具有重要意义；8）激光体能量密度（沉积单位体积粉末所消耗的能量）用于描述镁合金成形件的成分、显微组织、力学性能等综合质量演变具有重要价值。SLM成形AZ91D及ZK61的优化体能量密度分别为53～300 J/mm3及392～600 J/mm3，可以获得高致密度、力学性能优良、基本无冶金缺陷的构件。本项目成果为大尺寸、高精度、复杂形状的镁合金零部件快速制造奠定了理论与技术基础。