导读：为了阐明选择性激光熔化（SLM）Mg-RE合金的致密化行为、变形响应和强化机制，本研究通过先进的材料表征技术系统地研究了一种具有代表性的WE43合金。合适的激光输出模式落入过渡模式，允许使用最佳加工参数（P=80W，v=250mm/s和d=50μm）制造具有良好机械性能（屈服强度=351MPa，极限抗拉强度=417MPa，断裂伸长率=6.5%和显微硬度=137.9±6.15HV_0.1）的近全密度样品（孔隙率=0.85±0.021%）。粘塑性自洽分析和透射电子显微镜观察表明，SLM Mg-RE合金的塑性变形响应主要由基底〈a〉和棱柱〈a〉滑移驱动。从变形前的随机纹理开始（最大极限密度倍数，最大MUD=3.95），塑性拉伸使晶粒与Z轴对齐，最终导致断裂后{0001}<1010>纹理取向（最大MUD=8.755）。SLM状态的主要相主要由α-Mg、Mg₂₄Y₅和β'-Mg₄₁Nd₅组成，平均晶粒尺寸仅为4.27μm（约为挤压状态的四分之一），具有良好的强韧性比。除了晶界周围的纳米β'相和半相干Mg₂₄Y₅相（失配=16.12%）外，少量的纳米ZrO₂和Y₂O₃颗粒也起到了弥散强化的作用。SLM状态的高机械性能主要归因于沉淀硬化（44.41%）、固溶强化（34.06%）和晶界强化（21.53%），沉淀硬化主要由位错强化（67.77%）驱动。高性能SLM镁稀土合金部件在TCT Asia 2024上制造和展示，受到了广泛关注。这项工作强调了SLM Mg-RE合金的巨大应用潜力，并为推进其在生物医学领域的应用奠定了坚实的基础。

镁合金，尤其是镁稀土（Mg-RE）合金，凭借优良的生物相容性、促血管生成特性、与皮质骨相近的弹性模量，在医疗植入物领域极具潜力。然而，其标准电极电位低，在体内降解迅速，且传统工艺制备的合金机械性能一般，限制了实际应用。选择性激光熔化（SLM）技术因独特优势为解决这些问题带来希望，但用于Mg-RE合金时存在内部残余应力高、元素熔点差异大导致加工窗口窄等难题。

在本研究中，广东省科学院新材料研究所和伯明翰大学的团队联合，以WE43合金为对象，系统研究了激光功率、扫描速度和扫描间距等对合金的影响。结果表明，当激光输出处于过渡模式（VED为90-110J/mm³），且工艺参数为P=80W、v=250mm/s、d=50μm时，能制备出孔隙率仅0.85±0.021%的近全密度样品，其机械性能良好，屈服强度351MPa、极限抗拉强度417MPa、断裂伸长率6.5%、显微硬度137.9±6.15HV_0.1。

研究发现，该合金塑性变形主要由基面〈a〉和棱柱面〈a〉滑移驱动，变形前为随机织构，变形后晶粒向Z轴排列，最终呈{0001}<10-10>织构取向。微观结构方面，合金晶粒细小，平均尺寸约4.27μm，仅为挤压态的四分之一，主要相有α-Mg、Mg₂₄Y₅和β'-Mg₄₁Nd₅。除晶界处的纳米β相、半共格Mg24Y5相外，少量纳米ZrO₂和Y₂O₃颗粒也参与强化。经计算，合金强化主要源于沉淀强化（44.41%）、固溶强化（34.06%）和晶界强化（21.53%），其中沉淀强化主要由位错强化（67.77%）主导。

相关研究成果以“From macro-, through meso- to micro-scale: Densification behavior, deformation response and microstructural evolution of selective laser melted Mg-RE alloy”发表在Journal of Magnesium and Alloys上

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

表1 SLM在不同状态下制造了WE43合金

表2 不同状态下WE43合金的化学成分(wt.%)

图1 WE43粉末颗粒

(a)宏观形貌；

(b) 粒度分布；

(c)(d)典型的SLM制造的WE43样品。

表3 本工作中采用的加工参数

图2 (a)不同参数组合下的RD统计；(b)RD和VED之间的关系。

图3 VED驱动SLM Mg-RE合金宏观/微观形貌演化机制。

图4

(a)通过高分辨率μ-CT检测SLM WE43样品的孔隙度；

(b)SLM/挤压WE43样品的力学性能和断口形貌；

(c)通过不同技术制造的Mg-RE合金的UTS-TE气泡图。

表4 WE43合金在不同状态下的力学性能。

图5 SLM WE43样品不同变形机制下的SF统计：(a)基底<a>；(b) 棱柱形<a>；(c) 金字塔<c+a>；(d) 紧张结对。滑动面突出显示，Burgers矢量由红色箭头显示。

表5 本研究中用于VPSC模拟的滑移系统硬化参数。

图6 (a)单向拉伸过程中的相对活动；(b)TEM-BFI；(c)不同工程应变下PFs的应变-应力曲线模拟分析；(d)(c)的放大图显示了断裂状态下的PF。

图7

(a)不同状态下WE43粉末和合金的XRD光谱；

(b) 具有EDS插入物的SLM制造的微结构的相分布；

(c) SLM状态的计算固体分数；

(d) Mg-Y和Mg-Nd的部分相图。

图8 WE43合金在典型挤压状态下：(a)IPF，带有部分BC嵌件；(b)粒度分布；(c)主要元素和PFs的相组成。

图9 SLM WE43样品在不同XY横截面下的典型微观结构：(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视图；(d) IPF中插入了BC和PF；(f) 粒度分布。

图10 SLM WE43样品的TEM观察：

(a)插入DFI的BFI；

(b)与(a)中的放大图对应的主要元素分布；

(c)β′-Mg₄₁Nd₅和Mg₂₄Y₅相的HRTEM；

(d)点I和II的详细检测。

表6 本研究中使用的关键参数用于计算SLM WE43合金的强化机理。

图11 (a)SLM WE43合金强化作用的预测；(b)SLM制造了镁稀土合金工件进行演示。

本研究通过对SLM成型的WE43 Mg-RE合金进行系统研究，取得了以下成果：

（1）发现激光输出处于过渡模式（VED=90-110J/mm³）时可制备出高密度SLM样品。当加工参数为P=80W、v=250mm/s和d=50μm时，样品的综合性能最佳，孔隙率仅0.85±0.021%，极限抗拉强度和断裂伸长率分别可达417MPa和6.5%。

（2）通过VPSC模型和TEM表征证实，该合金的塑性变形行为主要由基面<a>和棱柱面<a>滑移驱动。变形前样品微观结构以随机织构为主（MUD=3.95），变形过程中晶粒逐渐向Z轴排列，断裂后呈现{0001}<10-10>的取向趋势（MUD=8.755）。

（3）SLM Mg-RE合金的晶粒细小，平均尺寸为4.27μm，约为挤压态的四分之一。主要相包括α-Mg、Mg₂₄Y₅和β'-Mg₄₁Nd₅。除了晶界周围的纳米β相和半共格Mg₂₄Y₅相，少量纳米ZrO₂和Y₂O₃颗粒也有助于沉淀强化。计算表明，合金主要由沉淀硬化（44.41%）、固溶强化（34.06%）和晶界强化（21.53%）三种机制强化，其中沉淀硬化主要由位错强化（67.77%）控制。计算得到的屈服强度约为359.54MPa，与实际测量值351.0MPa相比，误差仅为2.43%。

（4）研究团队利用优化的SLM参数制造出具有复杂结构的Mg-RE合金制品，在TCT Asia 2024上展示并获得关注，表明该研究成果在制造具有复杂结构和优异机械性能的Mg-RE合金方面具有实际应用潜力，为开发先进的复杂形状医疗器械奠定了理论基础。