一、背景与意义

镁合金因其密度低、比强度高、阻尼性能好和优异的电磁屏蔽能力，被誉为“21世纪的最佳合金”。在航空航天、汽车和医疗等领域，镁合金是替代传统金属的重要候选材料。然而，其室温塑性差、铸造件力学性能较低，以及易腐蚀等缺点，限制了镁合金的广泛应用。近年来，金属增材制造（MAM）技术，如定向能量沉积（DED），为镁合金部件的制造提供了全新的解决方案。DED技术利用激光、电弧或电子束作为能量源，通过逐层堆积材料制造复杂的三维结构。在提升加工灵活性的同时，也显著减少了材料浪费。然而，镁的高活性和易氧化性，给DED技术的应用带来了挑战。

最近，土耳其伊斯坦布尔科技大学Gürel Çam教授和Ali Günen教授综述了DED技术在镁合金应用中的进展、挑战与前景。讨论了DED制造镁合金部件过程中主要的缺陷，尤其是微观结构不均匀和孔隙问题，并提出了相应举措以抑制这些缺陷的形成。

二、图文导读

本文深入探讨了镁合金增材制造领域的研究进展，特别是定向能量沉积（DED）工艺的应用、技术挑战及其未来发展趋势。具体内容包括：

1. 技术优势与挑战

DED是一种增材制造（3D打印）技术，通过聚焦的能量源（如激光、电子束或电弧）将材料逐层沉积到基材表面，从而形成三维物体。如图1所示。与传统的制造工艺相比，DED能够短周期内制备出复杂结构零部件且材料浪费率较低，在制造过程中机动灵活、精度较高且能够实现对镁合金晶粒取向的精准控制，从而显著提升力学性能，但DED制备的零件易出现组织偏析、孔隙等缺陷。由于DED技术具有高效能量利用、广泛的材料适应性和高沉积速率，适合大规模制造、零件修复且热影响区较小等诸多优势，使其在航空航天、汽车、能源、医疗等领域具有巨大的应用潜力。目前，DED技术面临的挑战主要体现在材料控制、表面质量、设备成本、精度限制和缺乏行业标准化等方面。为了克服这些挑战，需要进一步优化工艺参数、提高设备精度、降低材料浪费并完善标准化认证体系。

图1 定向能量沉积示意图

2. 电弧DED的显著优势

焊丝供料的电弧定向能量沉积（WA-DED）因其经济性和高沉积速率（达90%能量效率）成为镁合金制造的优选方案。与粉末供料的激光DED（PL-DED）相比，焊丝系统成本低、氧化风险小，但表面质量需通过后续加工提升。在镁合金的WA-DED中，工艺条件和参数通常可有效确保最佳成型质量。其中，工艺条件包括（i）温度控制，（ii）保护气体，（iii）电弧稳定性，（iv）原料质量和清洁度和（v）安全措施，而工艺参数包括（i）进料速率，（ii）电压和电流，（iii）行进速度和（iv）层厚度。控制送丝速率决定沉积速率和焊道几何形状。优化此参数可确保均匀的层沉积和充分的材料熔合。调整电弧电压和电流会影响输入到熔池中的能量，从而影响焊道熔深、焊道宽度和整体成型质量。沉积喷嘴或机器人的行进速度影响沉积材料的冷却速率，从而影响最终部件的微观结构和力学性能。最后，确定最佳层厚度对于实现所制造部件的期望构建质量、表面光洁度和尺寸精度至关重要。图2为电弧定向能量沉积和粉末激光定向能量沉积工艺示意图。

图2 （a）粉末激光定向能量沉积（PL-DED）工艺示意图,（b）使用 PL-DED工艺沉积薄壁结构，（c）电弧定向能量沉积（WA-DED）工艺示意图

3. 缺陷控制策略

研究指出，微观结构的不均匀性、孔隙度、变形、残余应力、开裂和分层以及表面粗糙度是镁合金DED过程的主要问题。优化热处理、引入实时冷却和机械变形（如中间层热轧）等方法能有效提升组织均匀性和力学性能。例如，热层间轧制也可以成功用于消除空隙，并细化AM工艺生产的部件的微观结构，特别是通过使用粉末的工艺。热轧道间轧制比冷轧需要低得多的负荷，使其更容易应用；热道间轧制是在沉积层仍然是热的时候进行的，从而会导致动态再结晶，细化了显微组织。

4. 应用前景与未来趋势

（1） DED技术的应用前景

DED技术在航空航天行业的应用前景非常广阔。由于航空器的复杂零部件对重量和性能要求严格，DED能够制造高强度、低密度的复杂结构件，满足航空器对轻量化和高性能的需求。其次，在新能源汽车领域，DED可以用于制造轻量化的电池壳体、车身结构件和动力系统零部件。此外，DED技术在医疗器械领域有着巨大的应用潜力，尤其是在定制化医疗器械的生产方面，根据患者的具体需求设计和制造个性化的假体和植入物，DED技术能够显著提高治疗效果。在船舶及重型机械领域，DED技术可以用来修复老旧设备和制造关键的结构部件。这些领域对零部件的定制化和修复需求巨大，DED技术可以提高生产效率，降低零部件替换成本，尤其在部件需要快速修复且替代品生产周期较长的情况下，DED技术的优势更加突出。

（2） DED技术的未来趋势

未来，DED技术将继续发展成多材料打印系统，能够在同一零部件上同时使用不同类型的材料，甚至是在材料的成分、结构和性能上进行梯度设计。其次，DED技术可能与工业互联网和大数据分析结合，使得生产过程更加智能化、自动化，从而降低人工干预和提高生产效率。DED还可能会成为一种新型的批量生产工艺，能够在保证个性化需求的同时，保持生产效率和经济性。由于DED技术可以精确控制材料的使用，大大减少了浪费，因此它在环保方面具有巨大的优势。与此同时，低碳、绿色制造成为未来制造业发展的关键，DED技术在减少碳排放和材料浪费方面将发挥重要作用。随着增材修复技术的发展，DED将在维修和维护行业中得到更广泛的应用。尤其是在那些成本高、生命周期长的设备（如航天器、能源设施和工业设备）中，DED技术能够提供高效、经济的局部修复解决方案。DED可能成为设备维护的重要组成部分，减少设备停机时间和维修成本。DED技术展现了在航空航天、汽车和医疗器械领域的大规模应用潜力。未来需重点突破焊丝材料研发、高效热处理技术以及表面质量控制等关键技术。

三、结论与展望

尽管镁合金增材制造，特别是定向能量沉积（DED）工艺，在提高生产效率和材料利用率方面具有显著优势，但其实际应用仍面临挑战，例如微观组织的均匀性和力学性能有待进一步提升、镁合金焊丝种类和质量限制了技术应用范围、孔隙和表面粗糙度等缺陷需通过更优化的工艺解决。为实现镁合金增材制造技术的大规模应用，未来研究应聚焦以下方向：（1）开发新型焊丝材料：满足更广泛的性能需求，提高镁合金的制造灵活性；（2）优化热处理工艺：解决晶粒粗化问题，提高材料的力学性能；（3）提升表面质量：改进工具路径规划和后处理方法，降低表面粗糙度。增材制造技术的持续突破将为镁合金在高性能轻量化制造领域带来全新机遇。

四、文章信息

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2024年第12卷第5期：

[1] Gürel Çam, Ali Günen*. Challenges and opportunities in the production of magnesium parts by directed energy deposition processes [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12(05): 1663-1686.

五、中文摘要

近年来，镁合金因其具有轻质、高比强度和良好耐蚀性等特点，在医疗、航空航天、交通运输等行业中引起了广泛关注。但镁合金属于六方密排结构，其滑移系有限，导致其室温成形性较差，从而在铸造过程中易出现孔隙、各向异性等缺陷，同时力学性能较低。尽管传统铸造工艺可通过工艺优化部分解决这些问题，但废料率较高；增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术能够更精确地控制微观结构并优化晶粒取向，改善材料各向异性，正在逐渐取代传统铸造工艺。

金属增材制造技术（MAM）虽然也存在制造缺陷，如微观结构不均匀和孔隙等问题，但与传统铸造技术相比，增材制造的镁合金部件通常表现出更优异的性能。因此，MAM被认为是一种前景广阔的镁合金部件生产技术。特别是定向能量沉积（DED）工艺，如电弧定向能量沉积（WA-DED），因其高沉积速率、高材料利用率以及低工艺成本，正在成为一种极具吸引力的金属增材制造技术。然而，镁材料的高活性及易氧化性为这种技术的应用带来了独特的挑战。

本文综述了DED技术在镁合金应用中的进展、挑战与前景。此外，还讨论了DED制造镁合金部件过程中主要的缺陷，尤其是微观结构不均匀和孔隙问题。最后，还提出了相应举措以抑制这些缺陷的形成。

六、英文摘要

Mg-alloys have gained considerable attention in recent years for their outstanding properties such as lightweight, high specific strength, and corrosion resistance, making them attractive for applications in medical, aerospace, automotive, and other transport industries. However, their widespread application is hindered by their low formability at room temperature due to limited slip systems. Cast Mg-alloys have low mechanical properties due to the presence of casting defects such as porosity and anisotropy in addition to the high scrap. While casting methods benefit from established process optimization techniques for these problems, additive manufacturing methods are increasingly replacing casting methods in Mg alloys as they provide more precise control over the microstructure and allow specific grain orientations, potentially enabling easier optimization of anisotropy properties in certain applications.

Although metal additive manufacturing (MAM) technology also results in some manufacturing defects such as inhomogeneous microstructural evolution and porosity and additively manufactured Mg alloy parts exhibit lower properties than the wrought parts, they in general exhibit superior properties than the cast counterparts. Thus, MAM is a promising technique to produce Mg alloy parts. Directed energy deposition processes, particularly wire arc directed energy deposition (WA-DED), have emerged as an advantageous additive manufacturing (AM) technique for metallic materials including magnesium alloys, offering advantages such as high deposition rates, improved material efficiency, and reduced production costs compared to subtractive processes. However, the inherent challenges associated with magnesium, such as its high reactivity and susceptibility to oxidation, pose unique hurdles in the application of this technology.

This review paper delves into the progress made in the application of DED technology to Mg-alloys, its challenges, and prospects. Furthermore, the predominant imperfections, notably inhomogeneous microstructure evolution and porosity, observed in Mg-alloy components manufactured through DED are discussed. Additionally, the preventive measures implemented to counteract the formation of these defects are explored.