導(dǎo)讀：為了闡明選擇性激光熔化（SLM）Mg-RE合金的致密化行為、變形響應(yīng)和強(qiáng)化機(jī)制，本研究通過(guò)先進(jìn)的材料表征技術(shù)系統(tǒng)地研究了一種具有代表性的WE43合金。合適的激光輸出模式落入過(guò)渡模式，允許使用最佳加工參數(shù)（P=80W，v=250mm/s和d=50μm）制造具有良好機(jī)械性能（屈服強(qiáng)度=351MPa，極限抗拉強(qiáng)度=417MPa，斷裂伸長(zhǎng)率=6.5%和顯微硬度=137.9±6.15HV_0.1）的近全密度樣品（孔隙率=0.85±0.021%）。粘塑性自洽分析和透射電子顯微鏡觀察表明，SLM Mg-RE合金的塑性變形響應(yīng)主要由基底〈a〉和棱柱〈a〉滑移驅(qū)動(dòng)。從變形前的隨機(jī)紋理開始（最大極限密度倍數(shù)，最大MUD=3.95），塑性拉伸使晶粒與Z軸對(duì)齊，最終導(dǎo)致斷裂后{0001}<1010>紋理取向（最大MUD=8.755）。SLM狀態(tài)的主要相主要由α-Mg、Mg₂₄Y₅和β'-Mg₄₁Nd₅組成，平均晶粒尺寸僅為4.27μm（約為擠壓狀態(tài)的四分之一），具有良好的強(qiáng)韌性比。除了晶界周圍的納米β'相和半相干Mg₂₄Y₅相（失配=16.12%）外，少量的納米ZrO₂和Y₂O₃顆粒也起到了彌散強(qiáng)化的作用。SLM狀態(tài)的高機(jī)械性能主要?dú)w因于沉淀硬化（44.41%）、固溶強(qiáng)化（34.06%）和晶界強(qiáng)化（21.53%），沉淀硬化主要由位錯(cuò)強(qiáng)化（67.77%）驅(qū)動(dòng)。高性能SLM鎂稀土合金部件在TCT Asia 2024上制造和展示，受到了廣泛關(guān)注。這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了SLM Mg-RE合金的巨大應(yīng)用潛力，并為推進(jìn)其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

鎂合金，尤其是鎂稀土（Mg-RE）合金，憑借優(yōu)良的生物相容性、促血管生成特性、與皮質(zhì)骨相近的彈性模量，在醫(yī)療植入物領(lǐng)域極具潛力。然而，其標(biāo)準(zhǔn)電極電位低，在體內(nèi)降解迅速，且傳統(tǒng)工藝制備的合金機(jī)械性能一般，限制了實(shí)際應(yīng)用。選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)因獨(dú)特優(yōu)勢(shì)為解決這些問(wèn)題帶來(lái)希望，但用于Mg-RE合金時(shí)存在內(nèi)部殘余應(yīng)力高、元素熔點(diǎn)差異大導(dǎo)致加工窗口窄等難題。

在本研究中，廣東省科學(xué)院新材料研究所和伯明翰大學(xué)的團(tuán)隊(duì)聯(lián)合，以WE43合金為對(duì)象，系統(tǒng)研究了激光功率、掃描速度和掃描間距等對(duì)合金的影響。結(jié)果表明，當(dāng)激光輸出處于過(guò)渡模式（VED為90-110J/mm³），且工藝參數(shù)為P=80W、v=250mm/s、d=50μm時(shí)，能制備出孔隙率僅0.85±0.021%的近全密度樣品，其機(jī)械性能良好，屈服強(qiáng)度351MPa、極限抗拉強(qiáng)度417MPa、斷裂伸長(zhǎng)率6.5%、顯微硬度137.9±6.15HV_0.1。

研究發(fā)現(xiàn)，該合金塑性變形主要由基面〈a〉和棱柱面〈a〉滑移驅(qū)動(dòng)，變形前為隨機(jī)織構(gòu)，變形后晶粒向Z軸排列，最終呈{0001}<10-10>織構(gòu)取向。微觀結(jié)構(gòu)方面，合金晶粒細(xì)小，平均尺寸約4.27μm，僅為擠壓態(tài)的四分之一，主要相有α-Mg、Mg₂₄Y₅和β'-Mg₄₁Nd₅。除晶界處的納米β相、半共格Mg24Y5相外，少量納米ZrO₂和Y₂O₃顆粒也參與強(qiáng)化。經(jīng)計(jì)算，合金強(qiáng)化主要源于沉淀強(qiáng)化（44.41%）、固溶強(qiáng)化（34.06%）和晶界強(qiáng)化（21.53%），其中沉淀強(qiáng)化主要由位錯(cuò)強(qiáng)化（67.77%）主導(dǎo)。

相關(guān)研究成果以“From macro-, through meso- to micro-scale: Densification behavior, deformation response and microstructural evolution of selective laser melted Mg-RE alloy”發(fā)表在Journal of Magnesium and Alloys上

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956725000027

表1 SLM在不同狀態(tài)下制造了WE43合金

表2 不同狀態(tài)下WE43合金的化學(xué)成分(wt.%)

圖1 WE43粉末顆粒

(a)宏觀形貌；

(b) 粒度分布；

(c)(d)典型的SLM制造的WE43樣品。

表3 本工作中采用的加工參數(shù)

圖2 (a)不同參數(shù)組合下的RD統(tǒng)計(jì)；(b)RD和VED之間的關(guān)系。

圖3 VED驅(qū)動(dòng)SLM Mg-RE合金宏觀/微觀形貌演化機(jī)制。

圖4

(a)通過(guò)高分辨率μ-CT檢測(cè)SLM WE43樣品的孔隙度；

(b)SLM/擠壓WE43樣品的力學(xué)性能和斷口形貌；

(c)通過(guò)不同技術(shù)制造的Mg-RE合金的UTS-TE氣泡圖。

表4 WE43合金在不同狀態(tài)下的力學(xué)性能。

圖5 SLM WE43樣品不同變形機(jī)制下的SF統(tǒng)計(jì)：(a)基底<a>；(b) 棱柱形<a>；(c) 金字塔<c+a>；(d) 緊張結(jié)對(duì)。滑動(dòng)面突出顯示，Burgers矢量由紅色箭頭顯示。

表5 本研究中用于VPSC模擬的滑移系統(tǒng)硬化參數(shù)。

圖6 (a)單向拉伸過(guò)程中的相對(duì)活動(dòng)；(b)TEM-BFI；(c)不同工程應(yīng)變下PFs的應(yīng)變-應(yīng)力曲線模擬分析；(d)(c)的放大圖顯示了斷裂狀態(tài)下的PF。

圖7

(a)不同狀態(tài)下WE43粉末和合金的XRD光譜；

(b) 具有EDS插入物的SLM制造的微結(jié)構(gòu)的相分布；

(c) SLM狀態(tài)的計(jì)算固體分?jǐn)?shù)；

(d) Mg-Y和Mg-Nd的部分相圖。

圖8 WE43合金在典型擠壓狀態(tài)下：(a)IPF，帶有部分BC嵌件；(b)粒度分布；(c)主要元素和PFs的相組成。

圖9 SLM WE43樣品在不同XY橫截面下的典型微觀結(jié)構(gòu)：(a)OM；(c) IPF中插入了BC和PF；(e) 粒度分布；XZ截面下：(b)OM，局部SEM視圖；(d) IPF中插入了BC和PF；(f) 粒度分布。

圖10 SLM WE43樣品的TEM觀察：

(a)插入DFI的BFI；

(b)與(a)中的放大圖對(duì)應(yīng)的主要元素分布；

(c)β′-Mg₄₁Nd₅和Mg₂₄Y₅相的HRTEM；

(d)點(diǎn)I和II的詳細(xì)檢測(cè)。

表6 本研究中使用的關(guān)鍵參數(shù)用于計(jì)算SLM WE43合金的強(qiáng)化機(jī)理。

圖11 (a)SLM WE43合金強(qiáng)化作用的預(yù)測(cè)；(b)SLM制造了鎂稀土合金工件進(jìn)行演示。

本研究通過(guò)對(duì)SLM成型的WE43 Mg-RE合金進(jìn)行系統(tǒng)研究，取得了以下成果：

（1）發(fā)現(xiàn)激光輸出處于過(guò)渡模式（VED=90-110J/mm³）時(shí)可制備出高密度SLM樣品。當(dāng)加工參數(shù)為P=80W、v=250mm/s和d=50μm時(shí)，樣品的綜合性能最佳，孔隙率僅0.85±0.021%，極限抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別可達(dá)417MPa和6.5%。

（2）通過(guò)VPSC模型和TEM表征證實(shí)，該合金的塑性變形行為主要由基面<a>和棱柱面<a>滑移驅(qū)動(dòng)。變形前樣品微觀結(jié)構(gòu)以隨機(jī)織構(gòu)為主（MUD=3.95），變形過(guò)程中晶粒逐漸向Z軸排列，斷裂后呈現(xiàn){0001}<10-10>的取向趨勢(shì)（MUD=8.755）。

（3）SLM Mg-RE合金的晶粒細(xì)小，平均尺寸為4.27μm，約為擠壓態(tài)的四分之一。主要相包括α-Mg、Mg₂₄Y₅和β'-Mg₄₁Nd₅。除了晶界周圍的納米β相和半共格Mg₂₄Y₅相，少量納米ZrO₂和Y₂O₃顆粒也有助于沉淀強(qiáng)化。計(jì)算表明，合金主要由沉淀硬化（44.41%）、固溶強(qiáng)化（34.06%）和晶界強(qiáng)化（21.53%）三種機(jī)制強(qiáng)化，其中沉淀硬化主要由位錯(cuò)強(qiáng)化（67.77%）控制。計(jì)算得到的屈服強(qiáng)度約為359.54MPa，與實(shí)際測(cè)量值351.0MPa相比，誤差僅為2.43%。

（4）研究團(tuán)隊(duì)利用優(yōu)化的SLM參數(shù)制造出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的Mg-RE合金制品，在TCT Asia 2024上展示并獲得關(guān)注，表明該研究成果在制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和優(yōu)異機(jī)械性能的Mg-RE合金方面具有實(shí)際應(yīng)用潛力，為開發(fā)先進(jìn)的復(fù)雜形狀醫(yī)療器械奠定了理論基礎(chǔ)。