Официальный сайт 2020 года обновлен! Теперь у вас есть браузер с разрешением менее 1280px Пожалуйста, используйте ширину доступа с высоким разрешением.
В последние годы производство добавок из магниевых сплавов все больше привлекает внимание материаловедения. Производство присадок преодолело ограничения традиционного производства, с высокой точностью, высокой степенью свободы проектирования, высоким коэффициентом использования, энергосбережением и другими характеристиками. Проектируя технологические параметры, можно регулировать микроструктуру и производительность сплава, максимизировать способность сплавного материала к совместному проектированию и производить сложные структурные продукты, которые традиционное производство не может быть достигнуто через формирование сети. Это расширяет применение магниевых сплавов в биомедицине, автомобилях и потребительской электронике. Однако для дальнейшего развития технологии аддитивного производства магниевых сплавов необходимо преодолеть многие трудности, такие как относительно низкая растяжимость аддитивного производства продуктов из магниевых сплавов, недостаточная согласованность продукции и безопасность и стоимость исходного магниевого порошка.
Недавно исследователи из Австралийского национального университета Цзэн Чжуоран и профессор Ник Бирбилис вместе с профессором Сюй Шивэй и доктором Эсмаили из Хунаньского университета рассмотрели последние достижения и текущее состояние производства присадок из магниевых сплавов и обсудили результаты соответствующих исследований, включая лазерную плавку порошкового слоя (LPBF), спекание, Линейная дуга (WAAM), трение перемешивания (FSAM), косвенное аддитивное производство, а также микроструктура и эксплуатационные характеристики подготовки образцов указывают на проблемы и проблемы, с которыми они сталкиваются, и выдвигают предложения по будущему направлению развития технологии аддитивного производства из магниевых сплавов.
Ссылки на бумагу: https://doi.org/10.1016/j.jma.2022.03.001 …..
Лазерная технология изготовления добавок из магниевых сплавов
Среди технологий аддитивного производства магниевых сплавов наиболее широко изученным методом является лазерная порошковая плавка (LPBF), также известная как лазерная селективная плавка (SLM). Это эффективный дополнительный производственный процесс, используемый для изготовления сложных 3D – форм с высокой точностью и повторяемостью (рисунок 1), где продукты обычно имеют удовлетворительное металлургическое имущество (рисунок 2). При изготовлении магниевого сплава с использованием технологии лазерной плавки с порошкообразным слоем температура в процессе плавления с лазерным порошкообразным слоем обычно выше скорости испарения магния из – за относительно низкой температуры испарения магния (1091°C). Магний обычно отдает предпочтение испарению, что приводит к общему изменению состава магниевого сплава.
△ Рисунок 1: Структура кристаллической решетки « Мг», подготовленная с помощью технологии плавки лазерного порошкового слоя (изготовлена из магниевого сплава WE43)
Авторы и другие систематически изучали испарение в процессе плавки лазерного порошкового слоя из сплава AZ91. В температурном диапазоне от 870K (температура жидкой фазы AZ91) до 2000K скорость испарения Mg примерно в 4,2 раза выше, чем у Al × 104 ~ 3,5 × 1010 раз, у Zn 54 – 160 раз и у Mn 2,3 × 105 ~ 3,5 × 109 раз, и была создана числовая модель для прогнозирования точности состава AZ91 с входной плотностью энергии EV, Таким образом, была достигнута оптимальная плотность входной мощности 60J / mm3. Высокий или низкий Ev может привести к высокой температуре плавильного бассейна, а магний будет испаряться в первую очередь, что приведет к отклонению состава сплава от Mg – 9Al. В предпосылке обеспечения точности состава сплава окно обработки технологии плавки лазерного порошкового слоя из магниевого сплава относительно ограничено.
△ Рисунок 2 Технология плавки в лазерном порошковом слое для цилиндрических и кубических образцов магниевых сплавов
Помимо испарения, необходимо учитывать пористость. На рисунке 3 показана связь между различными технологическими параметрами и соответствующими дефектами, а также между плотностью продукта и плотностью входной энергии. В разных системах сплавов существуют различия в оптимальных значениях EV, соответствующих минимальной пористости. Для сплава Mg – Al оптимальный Ev находится между 100 и 200 J / mm3. Сплавы Mg – RE имеют большее окно обработки (от 50 до 250J / mm3) для достижения низкой пористости (
△ Рисунок 3 (a) Схема окон обработки и связанных с ними дефектов, b) функциональная зависимость относительной плотности магниевого сплава от плотности входной энергии технологии плавки в лазерном порошковом слое
Можно видеть, что состав сплава также имеет решающее значение для достижения высокой плотности и низкой пористости. При производстве магниевых сплавов, содержащих добавки, трудно избежать пористости, и определенная степень пористости приемлема, но необходимо избегать тепловых разрывов и трещин. По сравнению с литейными и коваными сплавами для изготовления присадок используется гораздо меньше систем из магниевых сплавов. В настоящее время коммерческий магниевый порошок, используемый в аддитивном производстве, включает чистый магний, AZ91 и WE43, главным образом из – за относительно высокого рыночного спроса, лучшей типографии и свойств структурных и биомедицинских материалов.
△ Таблица 1 Плотность входной энергии, зернистость, растяжение и электрохимическое имущество при изготовлении лазерных добавок из магния и магниевых сплавов
В таблице 1 приводится сводная информация о растягивающем имуществе магниевых сплавов, изготовленных при плавлении в лазерном порошковом слое. Интенсивность текучести обычно выше 200 МПа, а некоторые достигают 350 МПа, что достаточно для большинства структурных приложений. Однако низкая растяжимость является серьезной проблемой, поскольку большинство лазерных порошковых покрытий плавят магниевые сплавы с растяжимостью менее 5%, в то время как некоторые сплавы даже не имеют растяжимости, что затрудняет их применение в качестве инженерных материалов. Высокие остаточные напряжения, вызванные быстрым затвердеванием, и межметаллические соединения, образующиеся вдоль кристаллической границы, являются основными причинами вязких отказов.
Кроме того, распыленный порошок или пар вновь осаждается на поверхности образца, что приводит к плохому закреплению или слабому связыванию, что также не способствует удлинению образца. По имеющимся данным, лазерный порошковый слой плавки производства сплава WE43 сплава магния сплава имеет самую высокую растяжимость на сегодняшний день, до 12,2%. Улучшение растяжимости образца может быть достигнуто путем последующей высокотемпературной отжиговой обработки, также можно оптимизировать качество порошка, состав и технологию обработки. В настоящее время наиболее перспективным применением в производстве добавок из магниевых сплавов являются биоразлагаемые имплантаты. Электрохимическая коррозионная стойкость чистого магния и некоторых магниевых сплавов производимых при плавке в лазерном порошковом слое показана в таблице 1. Сплав WE43, изготовленный при плавке в лазерном порошковом слое, обладает гораздо меньшей коррозионной стойкостью, чем литейный сплав. Для сравнения, сплав Mg – Al демонстрирует коррозионную стойкость, аналогичную литейному сплаву. Для системы Mg – Zn плотность тока коррозии и скорость водорода сплава ZK60, приготовленного из лазерного порошкового слоя, лучше, чем у литого сплава ZK60, но поверхностная коррозия образца более серьезная. Кроме того, учитывая биологическую совместимость лазерного порошкового слоя для производства магниевых сплавов, в многочисленных исследованиях сообщается о биосовместимости лазерного порошкового слоя для производства сплава WE43 в качестве имплантата для наружных кронштейнов. Клеточная токсичность сплава Mg – RE не была обнаружена, но интенсивная реакция гидролиза на поверхности обнаженного материала может привести к локальным изменениям pH, которые могут повредить клеточный метаболизм. Эту проблему можно решить с помощью поверхностных изменений. Помимо сплава WE43, есть сообщения о производстве лазерного порошкового слоя для имплантатов кронштейнов Mg – Nd – Zn – Zr (JDBM), аналогичных исследованиям сплава WE43.
Нелазерная технология изготовления присадок из магниевых сплавов
В обзорной статье также обобщены сообщения о технологии производства нелинейных добавок из магниевых сплавов. Эти методы включают аддитивное производство на основе спекания, аддитивное производство на основе дуги, аддитивное производство на основе фрикционного перемешивания и косвенное аддитивное производство. В таблицах 2, 3 и 4 показаны свойства магния и магниевого сплава, подготовленные на основе технологии спекания, дуги и аддитивного производства на основе фрикционного перемешивания, соответственно.
Таблица 2 Условия спекания, плотность, механическое и электрохимическое имущество магния и магниевых сплавов, изготовленных с использованием агломерационных добавок
△ Таблица 3 Состав, зернистость, форма и растягивающее имущество магниевых сплавов, изготовленных с использованием добавок из шелковой дуги
Таблица 4. Технические параметры, зернистость и механическое имущество магниевых сплавов, изготовленных с использованием смесительных фрикционных добавок
Напротив, технология лазерного аддитивного производства доказала высокую точность и подготовила ряд высокопрочных магниевых сплавов. Несмотря на ограниченную экспансию, она имеет широкие перспективы развития. По сравнению с магниевым сплавом, изготовленным из материалов, не содержащих лазерных добавок, магниевый сплав обладает средней прочностью и значительной растяжимостью. Кроме того, технология плавки с лазерным порошком из магниевых сплавов лучше всего подходит для биомедицинских применений, но этот метод ограничен по размерам продукта. Масштабируемость технологии производства присадок для распыления клея способствует массовому производству. Например, в крупных отраслях промышленности, таких как автомобильная промышленность, развитие происходит относительно медленно, и необходимы более всеобъемлющие исследования для более глубокого понимания их поведения в печати и спекании, эволюционных моделей микроструктуры, механического и электрохимического имущества.
Резюме
Подводя итог, производство добавок из магниевого сплава имеет широкие перспективы. Технология аддитивного производства может быть реализована, включая, но не ограничиваясь этим, расширение предела растворимости растворимых элементов в магнии, изучение легирования ранее нерастворимых элементов (включая переходные металлы); Реализация прямого производства тонкостенных и стержневых деталей, подготовка сверхлегких деталей; Микро – и макрослойная пористая структура, которая имитирует подготовку костной структуры человека для использования в устройствах и интеллектуальных компонентах в биомедицинских приложениях.
В то же время, этот обзор показывает, что в производстве порошков из магния и магниевых сплавов все еще существует ряд научных, технических и практических трудностей, таких как плотность дислокации, остаточное напряжение, механизмы, с помощью которых компонентная сегрегация и пористость влияют на производительность (механизмы усиления и неблагоприятное воздействие на растяжимость), Технология и характеристики состояния порошкового производства сырья, технологические параметры аддитивного производства и влияние переработки на производительность продукта, а также безопасность и последовательность производства порошков из магния и магниевых сплавов требуют дальнейших исследований и решений.
