導讀：為了闡明選擇性激光熔化（SLM）Mg-RE合金的致密化行為、變形響應和強化機制，本研究通過先進的材料表征技術系統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渡模式，允許使用最佳加工參數（P=80W，v=250mm/s和d=50μm）制造具有良好機械性能（屈服強度=351MPa，極限抗拉強度=417MPa，斷裂伸長率=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主要由基底〈a〉和棱柱〈a〉滑移驅動。從變形前的隨機紋理開始（最大極限密度倍數，最大MUD=3.95），塑性拉伸使晶粒與Z軸對齊，最終導致斷裂后{0001}<1010>紋理取向（最大MUD=8.755）。SLM狀態的主要相主要由α-Mg、Mg₂₄Y₅和β'-Mg₄₁Nd₅組成，平均晶粒尺寸僅為4.27μm（約為擠壓狀態的四分之一），具有良好的強韌性比。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化的作用。SLM狀態的高機械性能主要歸因于沉淀硬化（44.41%）、固溶強化（34.06%）和晶界強化（21.53%），沉淀硬化主要由位錯強化（67.77%）驅動。高性能SLM鎂稀土合金部件在TCT Asia 2024上制造和展示，受到了廣泛關注。這項工作強調了SLM Mg-RE合金的巨大應用潛力，并為推進其在生物醫學領域的應用奠定了堅實的基礎。

鎂合金，尤其是鎂稀土（Mg-RE）合金，憑借優良的生物相容性、促血管生成特性、與皮質骨相近的彈性模量，在醫療植入物領域極具潛力。然而，其標準電極電位低，在體內降解迅速，且傳統工藝制備的合金機械性能一般，限制了實際應用。選擇性激光熔化（SLM）技術因獨特優勢為解決這些問題帶來希望，但用于Mg-RE合金時存在內部殘余應力高、元素熔點差異大導致加工窗口窄等難題。

在本研究中，廣東省科學院新材料研究所和伯明翰大學的團隊聯合，以WE43合金為對象，系統研究了激光功率、掃描速度和掃描間距等對合金的影響。結果表明，當激光輸出處于過渡模式（VED為90-110J/mm³），且工藝參數為P=80W、v=250mm/s、d=50μm時，能制備出孔隙率僅0.85±0.021%的近全密度樣品，其機械性能良好，屈服強度351MPa、極限抗拉強度417MPa、斷裂伸長率6.5%、顯微硬度137.9±6.15HV_0.1。

研究發現，該合金塑性變形主要由基面〈a〉和棱柱面〈a〉滑移驅動，變形前為隨機織構，變形后晶粒向Z軸排列，最終呈{0001}<10-10>織構取向。微觀結構方面，合金晶粒細小，平均尺寸約4.27μm，僅為擠壓態的四分之一，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顆粒也參與強化。經計算，合金強化主要源于沉淀強化（44.41%）、固溶強化（34.06%）和晶界強化（21.53%），其中沉淀強化主要由位錯強化（67.77%）主導。

相關研究成果以“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在不同狀態下制造了WE43合金

表2 不同狀態下WE43合金的化學成分(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

圖2 (a)不同參數組合下的RD統計；(b)RD和VED之間的關系。

圖3 VED驅動SLM Mg-RE合金宏觀/微觀形貌演化機制。

圖4

(a)通過高分辨率μ-CT檢測SLM WE43樣品的孔隙度；

(b)SLM/擠壓WE43樣品的力學性能和斷口形貌；

(c)通過不同技術制造的Mg-RE合金的UTS-TE氣泡圖。

表4 WE43合金在不同狀態下的力學性能。

圖5 SLM WE43樣品不同變形機制下的SF統計：(a)基底<a>；(b) 棱柱形<a>；(c) 金字塔<c+a>；(d) 緊張結對。滑動面突出顯示，Burgers矢量由紅色箭頭顯示。

表5 本研究中用于VPSC模擬的滑移系統硬化參數。

圖6 (a)單向拉伸過程中的相對活動；(b)TEM-BFI；(c)不同工程應變下PFs的應變-應力曲線模擬分析；(d)(c)的放大圖顯示了斷裂狀態下的PF。

圖7

(a)不同狀態下WE43粉末和合金的XRD光譜；

(b) 具有EDS插入物的SLM制造的微結構的相分布；

(c) SLM狀態的計算固體分數；

(d) Mg-Y和Mg-Nd的部分相圖。

圖8 WE43合金在典型擠壓狀態下：(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構：(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)中的放大圖對應的主要元素分布；

(c)β′-Mg₄₁Nd₅和Mg₂₄Y₅相的HRTEM；

(d)點I和II的詳細檢測。

表6 本研究中使用的關鍵參數用于計算SLM WE43合金的強化機理。

圖11 (a)SLM WE43合金強化作用的預測；(b)SLM制造了鎂稀土合金工件進行演示。

本研究通過對SLM成型的WE43 Mg-RE合金進行系統研究，取得了以下成果：

（1）發現激光輸出處于過渡模式（VED=90-110J/mm³）時可制備出高密度SLM樣品。當加工參數為P=80W、v=250mm/s和d=50μm時，樣品的綜合性能最佳，孔隙率僅0.85±0.021%，極限抗拉強度和斷裂伸長率分別可達417MPa和6.5%。

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

（3）SLM Mg-RE合金的晶粒細小，平均尺寸為4.27μm，約為擠壓態的四分之一。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化。計算表明，合金主要由沉淀硬化（44.41%）、固溶強化（34.06%）和晶界強化（21.53%）三種機制強化，其中沉淀硬化主要由位錯強化（67.77%）控制。計算得到的屈服強度約為359.54MPa，與實際測量值351.0MPa相比，誤差僅為2.43%。

（4）研究團隊利用優化的SLM參數制造出具有復雜結構的Mg-RE合金制品，在TCT Asia 2024上展示并獲得關注，表明該研究成果在制造具有復雜結構和優異機械性能的Mg-RE合金方面具有實際應用潛力，為開發先進的復雜形狀醫療器械奠定了理論基礎。