增材制造镁合金的腐蚀控制机制与策略

2026-06-23 17:14:27 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

研究背景

为满足航空、汽车和生物医学等各种工程应用领域对轻质结构材料的需求，镁及镁合金因其固有的密度低和比强度高而备受关注。由于镁的六方密排结构的塑性有限，镁部件大多通过传统的铸造方法制造。

尽管镁产品的铸造技术已经得到了极大的改善，但其固有的气孔、偏析和夹杂物等缺陷可能会导致不良的机械性能。为了克服基于变形和铸造方法的上述局限性，必须开发先进的制造技术，以获得具有复杂几何形状的大规模镁部件。在这种背景下，增材制造（AM）已成为镁合金部件传统制造方法的替代选择。

增材制造技术分类

但是，随着镁合金增材制造技术的迅速发展，一系列性能方面的挑战也接踵而来。例如，增材制造的零件容易出现诸如未熔合、夹杂物、残余应力、孔隙、连续层间分层、裂纹等缺陷。

腐蚀控制是这一过程中的一个重要环节。过高的孔隙率和金属间化合物可能会导致腐蚀速率升高，并引发微电偶效应。对于用于生物医用的镁合金而言，其应力腐蚀开裂也是一个需要重点关注的问题。另外，加工参数和后处理步骤（热处理、表面处理）可用于调整微观结构特征，并减少加速增材制造部件腐蚀的缺陷的存在。

因此，对于镁产品设计、增材制造方法的类型、工艺参数、合金成分、晶粒尺寸以及析出物分布等因素如何影响镁材料的耐腐蚀性这一系列问题，需要进行深入的分析。

基于此，巴西ABC联邦大学的Oliveira和Antunes教授综述了增材制造镁合金的腐蚀控制机制与策略，探究了加工参数、微观结构特征、后处理方法以及增材制造镁合金的电化学行为之间的相互关系，旨在加深对有关增材制造镁合金部件腐蚀过程的理解。

研究成果

用于镁合金材料的AM工艺方法主要包括激光粉末床熔融（LPBF）、电弧增材制造（WAAM）、粘结剂喷射（BJ）、搅拌摩擦增材制造（FSAM）等，这些方法的优点、缺点及可能的应用情况如表1所示。

激光粉末床熔融技术

表1 用于镁合金的四种常见的AM方法的优点、缺点及可能的应用情况

对LPBF工艺的镁合金的腐蚀行为研究主要有以下三种方法：

（i）基于工艺参数的腐蚀控制。根据特定的工艺参数，成品部件的微观结构会受到显著影响。因此，基于这种方法，可以对加工后的合金的腐蚀性能进行定制。晶粒尺寸、位错密度、形态、第二相粒子的体积分数和分布都与通过增材制造工艺加工的镁部件的主要腐蚀机制有关。

（ii）基于合金成分的腐蚀控制。合金成分是镁合金腐蚀行为的关键因素。第二相和夹杂物在与α-Mg基体形成微电偶电池过程中的核心作用，会受到合金元素的影响。在LPBF加工的镁合金中，这一效应尤为显著。

（iii）基于后处理步骤的腐蚀控制。主要包含两种策略，一种策略是基于减少制造缺陷，特别是气孔和未熔合现象，另一种策略则依赖于热处理，这种热处理既可以促进形成致密且具有保护作用的氧化层，也可以降低导致微电偶腐蚀的第二相粒子的体积分数。这些方法可以相互结合，并通过混合机制提高LPBF部件的抗腐蚀性能。

经过WAAM处理的镁合金的腐蚀行为与其微观结构特征密切相关。针对这一问题有两种不同的处理方法，第一种方法是控制WAAM参数，并评估这些参数如何影响α-Mg基体内的晶粒尺寸、沉淀物成分和分布。第二种方法则依赖于后处理步骤，主要是热处理，其目的也是为了控制微观结构特征，并评估这些热处理步骤如何影响处理后部件的腐蚀性能。

电弧增材制造（WAAM）技术

与通过LPBF工艺加工的材料相比，采用WAAM、BJ和FSAM工艺制造的镁合金的腐蚀行为研究相对较少。尽管现有的研究有限，但许多研究者已经发表了相关研究成果。

关于通过增材制造工艺制造的镁合金的耐腐蚀性，可以参考下图所示的不同研究者所测定的腐蚀电流密度（icorr）。对下图中所示数据的解读必须考虑到一些限制因素。首先，很难对采用不同加工参数、后处理路线并在不同电解质中测试的不同材料进行比较。考虑到这一点，尽管这种比较涉及复杂的场景，但图中所示的数据仍有助于评估AM加工的镁合金的腐蚀性能的几个方面。

不同研究者所测定的镁合金（包括AM合金和传统镁合金）的腐蚀电流密度（icorr）

例如，可以发现AM合金的icorr值可以与传统制造的同类材料相当，甚至更高。一方面，这是朝着将AM镁部件用于实际工程目的迈出的关键一步。适当的加工参数选择和合金成分选择可以产生具有高耐腐蚀性的AM零件。另一方面，对于相同的材料，在类似的电解质（比如最常用的生理溶液）中，icorr值存在很大的差异。

因此，有必要制定标准化的方法来评估不同增材制造合金在相同基础上的腐蚀反应情况，从而给出关于腐蚀速率的可靠数据。必须关注电解质成分、pH、温度以及与测试方法本身相关的方面（比如浸泡时间）。还必须考虑与材料相关的情况，如晶粒尺寸、孔隙率、表面粗糙度、晶体取向和次生相（类型、形态和分布）等，以解释不同的腐蚀行为。

增材制造方法的加工参数对所制造合金的腐蚀性能的影响仍知之甚少。尽管目前已有一定的研究积累，但主要还是依靠“经验试错”证明特定合金成分的最佳加工条件。由于缺乏通用且完善的加工参数，阻碍了新型和优化的增材制造部件的开发。制造致密部件是这一过程中的关键环节。

增材制造产品的孔隙率对最终部件的腐蚀行为有着显著影响，从下图中呈现的数据可以得出有关镁增材制造部件的腐蚀速率与孔隙率之间相关性的有用见解。值得注意的是，具有兼容孔隙率的材料可能会导致显著不同的腐蚀电流密度。然而，后三种合金的icorr值高达前者的60或80倍。同样，有研究展示的材料孔隙率（8.9%）位居第二高，但其icorr值却是最低的（0.25 μA·cm−2）。

经过AM加工的镁合金的腐蚀电流密度与孔隙率之间的相关性

可见，腐蚀控制是通过增材制造技术制造镁部件过程中至关重要的一环。如前所述，增材制造的镁部件的腐蚀控制方法主要基于三种策略，这些策略依赖于加工参数、合金化或后处理操作。例如，可以通过调整加工参数来改变成品零件的孔隙率和微观结构（晶粒尺寸、位错密度、第二相颗粒）。

为此，可以调整腐蚀速率以满足特定应用的要求。又如，合金化也是用于加工成形的镁部件的重要的腐蚀控制策略，这种策略的主要目标如下：其一，通过控制第二相粒子的沉淀，确保作为成品部件的腐蚀性能不受因与α-Mg基体大量形成微电偶电池而受到影响；其二，促进形成稳定的氧化层，以减缓腐蚀过程，这可以通过适当添加选定的合金元素来实现。

实际上，腐蚀性能与合金成分密切相关，因为晶粒尺寸和沉淀物在AM制造镁部件的腐蚀过程中起着关键作用。最终产品必须在耐腐蚀性和机械性能之间达到平衡，以适应其设计所针对的环境，无论是用于生物医学应用还是航空航天和汽车工业的结构部件。

再如，在用于腐蚀控制的后处理方法中，热处理可用于促进晶粒细化或促使第二相粒子的析出，从而提高经后处理的增材制造部件的机械性能。然而，此类微观结构的改变必须谨慎控制，以避免对处理后的工件的腐蚀性能产生不良影响。

最后，该领域的未来发展或许也能得益于机器学习（ML）方法，因为这种方法可作为探索工艺-结构-性能关系的强大工具。尽管存在此类研究的具体方案，但它们在提升镁合金的先进制造工艺方面的认知仍具有巨大的未开发潜力，有助于进一步改善其耐腐蚀性能。

结论与展望

对AM镁合金部件的腐蚀行为研究目前主要集中在LPBF加工合金的腐蚀行为上，而对其他AM方法的研究较少。AM镁合金的腐蚀机制主要与微观结构特征有关，如晶粒尺寸，以及第二相粒子的存在。通过调整合金成分、热处理和加工参数，可以获得特定的微观结构，从而增强镁合金的耐腐蚀性。晶粒尺寸的降低以及相对于α-Mg基体而言具有阴极特征的少量第二相粒子的存在，能够增强氧化膜的稳定性以及降低电偶腐蚀的影响，进而提高耐腐蚀性。此外，由于可以防止形成作为局部腐蚀点的裂缝，那些能够产生压缩性表面应力的后处理方法也能降低腐蚀速率。

在未来的研究中，需要重点关注以下四个方面：

（1）控制工艺参数对于制造稳定的AM镁部件至关重要，以便达到优化的孔隙率来确保良好的机械性能。此外，孔隙率的降低也会对腐蚀行为产生有利影响。

（2）对于AM镁部件的腐蚀控制，研究的关键必须集中在孔隙率控制和微观结构设计上。工艺参数对于能够制造出具有增强抗腐蚀性能的AM产品至关重要。

（3）需要对AM镁部件在不同腐蚀环境中的长期稳定性进行进一步研究。特别要注意应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳行为，这些方面目前尚未得到充分研究。

（4）AM镁部件的结构-工艺-性能之间的关系可以从基于机器学习技术的数据驱动模型的发展中受益。未来的研究工作必须得到加强，以提高新型AM镁产品的可靠性和可预测性。

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