基于 SLM 工艺的镁稀土合金成型研究及手套箱关键保障技术

研究基本内容

在双碳与制造业升级大背景下，镁稀土合金质量轻、比强度高，是节能减排绿色制造的关键材料。传统铸造、挤压工艺很难制备大型复杂一体化构件，激光选区熔化（SLM，金属 3D 打印）成为重要解决方案。

目前该领域仍存在关键短板：工艺参数、熔池动力学、凝固组织之间的跨尺度耦合机制尚不清晰，工艺条件如何调控熔池形貌、晶粒取向、微观结构缺少系统研究，制约镁稀土合金 SLM 构件的性能提升与工程应用。

主要研究方法

1）多物理场仿真模拟：采用 EDEM、Flow‑3D 搭建热流耦合模型，对比 S 形、Z 形两种扫描策略，解析扫描间距对熔道形态、温度场、熔池演化、搭接质量的影响；

2）CFD‑PF 流体力学‑相场耦合模型，建立宏‑微观跨尺度模型，再现晶粒形核、生长演变全过程；

3）变量控制实验：调控激光功率、扫描速度、扫描间距、成型件壁厚，分析熔道特征、重熔行为、层间结合质量；

4）微观组织表征，观察熔池不同区域（底部、边界、上部）柱状晶、等轴晶的形成与转变规律，揭示温度梯度、热流方向对晶粒形貌的作用机理。

核心研究进展

1）阐明不同扫描策略下扫描间距改变带来的熔道深度、连续性、均匀性变化规律；S 形扫描熔道整体更均匀，Z 形扫描存在前后端熔池深度差异。

2）厘清激光功率、扫描速度对热影响区、熔池尺寸、层间结合、熔道下塌、球化缺陷的影响，得到工艺窗口边界：功率过高发生过熔下塌，速度过低造成表面粗糙度升高。

3）揭示熔池内部晶粒分区特征：熔池底部垂直柱状晶、边界倾斜柱状晶、上部等轴晶；功率、速度改变会驱动等轴晶向柱状晶转变。

4）揭示成型壁厚对晶粒的调控机制：薄壁散热快，生成细小弯曲倾斜柱状晶；壁厚增大，垂直方向热流占主导，形成粗大柱状晶。

研究前景

镁稀土合金 SLM 技术面向航空航天、轨道交通轻量化构件，本研究揭示的工艺‑熔池‑组织内在机理，可以指导实际打印工艺优化，减少构件内部缺陷，提升力学性能，推动镁稀土增材制造从实验室走向工程化应用。

手套箱参与的核心环节解析

镁稀土合金（Mg‑10Gd‑3Y）化学活性高，镁粉末极易与空气中氧气、水汽发生氧化、燃烧，粉末遇潮气易发生降解氧化，氧化夹杂会在 SLM 打印过程引入气孔、夹杂缺陷，直接破坏层间结合，改变凝固过程，干扰熔池行为与晶粒生长，造成实验结果失真。因此镁稀土合金 SLM 整套粉末处理、样品前处理环节需要惰性气氛手套箱。

原料粉末储存与筛分

Mg‑10Gd‑3Y 稀土镁粉末不能暴露大气，粉末的存放、筛分、粉末取样检测全部在水氧含量极低的惰性气体手套箱内部完成，避免粉末氧化。如果粉末氧化，仿真对应的实际实验原材料就发生改变，实验和模拟结果会出现严重偏差。

SLM 设备上料、粉末回收处理

SLM 设备的粉料仓通惰性保护，但粉末转运、回收筛分、重新利用，需要在手套箱内完成转运处理，隔绝空气水汽，保证每一批次打印粉末成分一致性，保障不同扫描间距、功率、速度变量实验之间的可对比性。

打印后试样的转移与保存（待表征样品）

刚打印完成的镁稀土试样温度较高，暴露空气极易表面快速氧化。部分待做金相、微观表征的试样，在从 SLM 腔体取出后，需要转入手套箱内保存，防止表面氧化层干扰后续微观组织观察，保证晶粒形貌、晶界观测结果真实，匹配 CFD‑相场模拟得到的组织演变规律。

部分样品预处理环节

部分切割、封装前的样品，为避免氧化污染，在手套箱内完成样品封装保护，防止镁合金样品接触水汽氧化，避免出现伪缺陷，保障壁厚变量实验、不同工艺试样微观组织对比的可靠性。

研究与设备价值

通过仿真 + 实验揭示工艺‑熔池‑微观组织的耦合关系，而手套箱是该实验体系的基础保障装备：如果缺少低水氧惰性手套箱，镁稀土粉末氧化变质，不仅会造成打印件缺陷，还会直接改变凝固行为、晶粒生长，使得仿真模拟与实物实验无法相互印证，整个跨尺度机理研究就失去实验基础。

九晟手套箱可以为镁稀土增材制造提供低水氧密闭惰性操作环境，适配活性合金粉末储存、筛分、转运、试样保存全流程，支撑 SLM 活性金属材料的机理研究与工艺开发。