鎂基復(fù)合材料增材制造研究進(jìn)展及前景展望

來源：WAAM電弧增材


一、研究背景
增材制造（AM）具有制造周期短、材料利用率高、設(shè)計(jì)自由度高、機(jī)械性能優(yōu)良、制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的能力等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合鎂基復(fù)合材料（MMCs）的高剛度、高強(qiáng)度性能以及AM形成高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，制備的增材制造鎂基復(fù)合材料（AM MMCs）在汽車、航空、消費(fèi)電子、生物醫(yī)藥等高新技術(shù)工業(yè)領(lǐng)域具有巨大的潛在優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景。雖然鎂合金相比其他金屬具備許多優(yōu)勢(shì)，被廣泛認(rèn)為是21世紀(jì)最理想的綠色材料，但也有許多瓶頸阻礙了其進(jìn)一步應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，鎂合金的進(jìn)一步應(yīng)用需要克服許多困難。為了滿足制造業(yè)對(duì)輕質(zhì)、高性能金屬組件的迫切需求，擴(kuò)大鎂基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，迫切需要開發(fā)出更先進(jìn)、更有效、更簡(jiǎn)單的制備高性能MMCs的方法。為此，北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)張成行副研究員和李卓副研究員等人在材料（鎂合金）領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)術(shù)期刊Journal of Magnesium and Alloys（中科院一區(qū)TOP, IF: 17.6)發(fā)表了題為“Additive manufacturing of magnesium matrix composites: Comprehensive review of recent progress and research perspectives”的研究成果，主要回顧了近年來增材制造鎂基復(fù)合材料的研究進(jìn)展，以填補(bǔ)增材制造鎂基復(fù)合材料領(lǐng)域的空白。同時(shí)，也揭示了AM MMCs在目前和未來各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力、發(fā)展趨勢(shì)以及未來的研究思路，無疑，這項(xiàng)工作將給AM MMCs領(lǐng)域的研究人員提供幫助，為今后增材制造鎂基復(fù)合材料的研究方向提出了具體建議。

二、論文圖片

圖1 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 增材制造的設(shè)計(jì)和制造工藝概述

圖3 圖表表明，由于不需要修改硬件和工具，生產(chǎn)少量的高度復(fù)雜的零件比注射模塑更經(jīng)濟(jì)

圖4 (a)類別和(b)行業(yè)，2013-2019年增材制造行業(yè)(c)市場(chǎng)規(guī)模和(d)2019-2029年汽車生產(chǎn)收入

圖5 增材制造技術(shù)的類型

圖6 PBF和DED技術(shù)的示意圖

圖7 金屬增材制造中多尺度、多物理現(xiàn)象的耦合過程示意圖

圖8 SLM期間的Balling(球狀）效應(yīng)：(a) 100 mm/s、(b) 200 mm/s、(c) 300 mm/s和(d) 400 mm/s

圖9 (a)孔隙度和（b-d）融合差（熔融未熔化的粉末顆粒）

圖10（a-b）熔池中熱狀態(tài)的數(shù)值模擬和（c-d）在激光增材制造過程中，合金元素的蒸氣壓和汽化速率作為溫度的函數(shù)的示意圖

圖11 晶粒微觀結(jié)構(gòu)(a) ZK60，(b) 0.2Cu/ZK60，(c) 0.4Cu/ZK60，(d) 0.6Cu/ZK60，(e) 0.8Cu/ZK60，(f)晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)

圖12 LPBF法對(duì)SiC/WE43復(fù)合材料的碳化硅顆粒分布

圖13 (a)測(cè)量的激光吸收，（b-d）模擬了AZ31B合金和CNTs/AZ31B復(fù)合材料的模擬溫度分布（e-f）和熔池形貌

圖14 平面凝固前沿和球形納米顆粒的(a)模型示意圖，(b)粘性捕獲和布朗捕獲，正范德華勢(shì)和負(fù)化學(xué)鍵能；捕獲的能壘，如果布朗勢(shì)大于能壘，布朗捕獲發(fā)生，(c)自發(fā)捕獲，負(fù)范德華勢(shì)和負(fù)化學(xué)鍵能，(d)金屬熔核殼納米顆粒體系的構(gòu)建示意圖和(e)哈馬克常數(shù)（zJ）與主要材料的原子序數(shù)

圖15 (a)TEM/AD91D和LPBF SiC/AZ91D復(fù)合材料α-Mg顆粒中Al8Mn5顆粒的AEM/EDS分析，以及SiCnp生長(zhǎng)控制效果的(b)示意圖

圖16 (a)無沉積和(b)銀沉積的溫度分布激光束中心附近的溫度分布圖

圖17 人骨肉瘤MG63細(xì)胞在Cu/ZK60提取物中培養(yǎng)1、3和5d后的相對(duì)生長(zhǎng)速率

三、關(guān)鍵結(jié)論

目前對(duì)AM MMCs的AM技術(shù)和新材料體系的研究相對(duì)有限。盡管人們對(duì)AM工藝、MMCs的微觀結(jié)構(gòu)和性能有了一定的了解，但與鋁、鎳和鎂基復(fù)合材料的增材制造相比，AM MMCs的發(fā)展仍處于初級(jí)階段，增材制造鎂基復(fù)合材料未來的發(fā)展方向和亟待解決的問題如下：

1、鎂基復(fù)合材料的組成設(shè)計(jì)上：(i)有必要開發(fā)和優(yōu)化鎂基體的組成，以獲得與鋼筋相匹配的合金體系。（ii）探索更合理的尺寸、類型、形態(tài)、體積分?jǐn)?shù)和鋼筋的組合。（iii）新型多相加固體系的開發(fā)可以有效地克服單相加固分散性差和添加量低的問題。

2、增材制造鎂基復(fù)合材料原料的選擇上：必須提高和優(yōu)化原料的質(zhì)量和特性，建立AMmmc（增材制造鎂基復(fù)合材料）的粉末和電線的使用標(biāo)準(zhǔn)。

3、增材制造工藝的研究上：(i)必須積極探索相關(guān)加工參數(shù)的影響，闡明微觀特征的演化機(jī)制和缺陷的類型、分布、大小的影響機(jī)制AM部分綜合機(jī)械性能，并闡述強(qiáng)非平衡態(tài)的凝固行為。（ii）利用高速同步x射線成像等各種原位技術(shù)，可以實(shí)時(shí)揭示AM過程中缺陷的形成機(jī)理和各種缺陷的相互耦合效應(yīng)。結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AM MMCs的缺陷、微觀結(jié)構(gòu)和性能的精確控制。（iii）制造多孔材料可以提高利用AM技術(shù)制造新的多功能部件的能力。（iv）開發(fā)表面質(zhì)量和尺寸精度的在線監(jiān)測(cè)和智能控制系統(tǒng)勢(shì)在必行。

4、AM MMCs的機(jī)理分析上：(i) 探索MMCs的微觀結(jié)構(gòu)特征和演化規(guī)律，以及在增強(qiáng)體存在的條件下沉淀物和基體之間的相互擴(kuò)散行為和增材制造過程中的復(fù)雜及多次熱循環(huán)。（ii）探索沉淀相與基體界面反應(yīng)層的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和微觀擴(kuò)散機(jī)制（iv）進(jìn)一步研究增材制造鎂基復(fù)合材料的斷裂機(jī)理。

5、AM MMCs的其他性能的擴(kuò)展上：可以靶向提高鎂基復(fù)合材料的高溫性能、耐磨性、導(dǎo)電性、腐蝕性和生物相容性等特定性能，進(jìn)一步擴(kuò)大MMCs的應(yīng)用范圍。

6、AM后處理系統(tǒng)的研究上：必須開展后續(xù)熱處理工藝以及后續(xù)熱等靜壓、開模鍛等密控處理和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化施工，規(guī)范組織和性能，從根本上解決“增材制造零件機(jī)械性能能達(dá)到鑄件水平但不滿足鍛件水平”、“高溫耐久性能滿足鍛件要求，但不滿足鑄件要求”的問題。

四、論文引用

Chenghang Zhang,Zhuo Li,Jikui Zhang,Haibo Tang,Huaming Wang. Additive manufacturing of magnesium matrix composites: Comprehensive review of recent progress and research perspectives [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2023, 11 (2): 425-461. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jma.2023.02.005