網(wǎng)狀鋁基復(fù)合材料部件的3D打印制造及可調(diào)增強

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

《Scientific Reports》網(wǎng)狀鋁基復(fù)合材料部件的3D打印制造及可調(diào)增強

金屬基復(fù)合材料(MMCs)等先進材料對創(chuàng)新、國家安全和應(yīng)對氣候變化至關(guān)重要。金屬基復(fù)合材料因其優(yōu)異的機械性能和熱性能而被廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天和汽車領(lǐng)域，但由于制造工藝昂貴且繁瑣，其應(yīng)用一直進展緩慢。本文提出了一種采用熔融長絲制造三維打印的新工藝，無需工具或機械加工即可制造凈形MMC。該工藝包括打印氧化鋁預(yù)成型體，然后使用熔融鋁合金的無壓滲透來形成復(fù)合材料。通過這種工藝可以形成任意形狀的復(fù)合材料--如制動桿和法蘭，并且可以通過改變陶瓷填充的幾何圖案和陶瓷載荷來調(diào)整復(fù)合材料性能。采用35 Vol%的連續(xù)纖維增強，鋁復(fù)合材料的強度和模量分別超過了 800 MPa 和 140 GPa，性能分別是基體鋁的3.4倍和2倍。

在MMC中，金屬基體用連續(xù)或不連續(xù)的碳或陶瓷纖維和/或顆粒增強。鋁基復(fù)合材料(AMCs)是最常見的MMC類型。本文討論了一種由5層非合金鋁和12-15%硼絲增強的擴散鍵合復(fù)合材料。盡管MMC用于軍事(例如裝甲和彈藥)，航空航天(例如發(fā)動機部件，起落架)和汽車(例如制動盤)應(yīng)用，但由于制造困難，特別是成型MMC部件。

近年來，增材制造(AM)，通常被稱為3D打印，已經(jīng)成為制造塑料和金屬部件的通用技術(shù)，需傳統(tǒng)的制造工具。這個創(chuàng)新的過程包括通過一層一層的構(gòu)建方法將計算機輔助設(shè)計(CAD)模型轉(zhuǎn)換為物理對象。

本研究的主要目標是開發(fā)一種增材制造（AM）工藝，通過熔融長絲制造（FFF）三維打印技術(shù)，結(jié)合連續(xù)增強技術(shù)，生產(chǎn)出具有可調(diào)特性的凈形鋁基復(fù)合材料（AMC）。與傳統(tǒng)方法或其他用于制造凈形高增強 AMC 部件的 AM 技術(shù)相比，這種方法在設(shè)計方面提供了極大的靈活性，同時大大降低了成本。

熔融長絲制造（FFF）是目前應(yīng)用最廣泛的三維打印技術(shù)，包括加熱熱塑性長絲并將其擠壓成熔融材料珠。目前已有 100 多家公司將聚合物基材料的 FFF 商業(yè)化，其中一部分公司提供金屬解決方案，包括去膠和燒結(jié)等后處理步驟，以獲得致密的金屬零件。此類技術(shù)的流程圖和說明見圖1。連續(xù)纖維的加入大大提高了部件的強度和模量，大大超過了僅由塑料材料制成的部件，并且可以優(yōu)化復(fù)合材料部件的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖 1：金屬或陶瓷 FFF 工藝工作流程說明。

圖 2 展示了一個凸緣和一個制動桿，這兩種三維形狀在傳統(tǒng)的 MMC 加工中需要定制工具才能形成。

圖 2：使用新型 3D 打印技術(shù)制造的 AMC 零件（制動桿和法蘭）演示。法蘭的插入?yún)^(qū)域顯示了滲入的陶瓷填充物（深色區(qū)域）和周圍的鋁基體（淺色區(qū)域）。

圖 3 顯示了填充密度與鋁基復(fù)合材料的斷裂應(yīng)力和彈性模量之間的關(guān)系。隨著填充密度的增加，斷裂應(yīng)力和彈性模量都呈現(xiàn)出幾乎相同的增長，這與陶瓷微粒增強體體積分數(shù)的增加相對應(yīng)。在探討的區(qū)間內(nèi)，當有效加固體積分數(shù)增加 1.66 倍（從 36% 增加到60%）時，AMC 強度增加 1.62 倍（從 338 MPa增加到 549 MPa），模量增加 1.65 倍（從 89 GPa 增加到147 GPa）。

圖 3：彎曲測試中顆粒和連續(xù)纖維增強 AMC 的強度和彈性模量與 3D 打印預(yù)型件中顆粒和纖維增強體積分數(shù)（填充密度）的關(guān)系。黑條為彈性模量。灰色條為強度。

圖 4：彎曲測試中顆粒和連續(xù)纖維增強 AMC 的比強度和比彈性模量與三維打印預(yù)型件中顆粒和纖維增強體積分數(shù)（填充密度）的關(guān)系

圖 5：斷裂圖像顯示鋁合金基體與氧化鋁（a）顆粒和（b）纖維之間有很強的粘附力。

圖6：使用三維打印技術(shù)制造的微粒強化（80% 填充）AMC 的典型微觀結(jié)構(gòu)。

圖7：填充密度為 80% 的 AMC 樣品填充區(qū)域內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)。

圖 9：使用 3D 打印技術(shù)制造的纖維增強 AMC 的微觀結(jié)構(gòu)。

圖 11：基于 3D 打印的新型 MMC 制造工藝步驟。

圖 12：BSE 陶瓷預(yù)型件在經(jīng)過 (a) 打印；(b)溶劑脫膠；(c) 熱脫膠和燒結(jié)等制造工序后的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)對比。

先進的應(yīng)用需要高性能的材料和高效的制造工藝來促進快速創(chuàng)新。熔融長絲制造（FFF）三維打印技術(shù)與無壓滲透技術(shù)相結(jié)合，為生產(chǎn)高設(shè)計靈活性的凈形 MMC 部件提供了一種可行的方法，從而消除了對專用工具的需求。這種方法使工程師不僅能控制增強材料的體積分數(shù)，還能通過確定陶瓷填充物的位置和模式來塑造內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)。因此，中尺度結(jié)構(gòu)復(fù)合材料得以實現(xiàn)，從而可以在部件的不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)量身定制的特性。此外，有選擇性地加入連續(xù)纖維增強材料進一步提高了根據(jù)特定部件的具體要求定制復(fù)合材料性能的能力。

相關(guān)文章鏈接：
Seleznev, M.L., Roy-Mayhew, J.D. & Faust, J.L. Fabrication and tunable reinforcement of net-shaped aluminum matrix composite parts via 3D printing. Sci Rep 13, 16334 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-43514-y