鎂基復合材料增材制造研究進展及前景展望

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、設計自由度高、機械性能優(yōu)良、制造復雜結構部件的能力等優(yōu)點。結合鎂基復合材料（MMCs）的高剛度、高強度性能以及AM形成高性能復雜結構件的技術優(yōu)勢，制備的增材制造鎂基復合材料（AM MMCs）在汽車、航空、消費電子、生物醫(yī)藥等高新技術工業(yè)領域具有巨大的潛在優(yōu)勢和廣泛的應用前景。雖然鎂合金相比其他金屬具備許多優(yōu)勢，被廣泛認為是21世紀最理想的綠色材料，但也有許多瓶頸阻礙了其進一步應用。在實際應用中，鎂合金的進一步應用需要克服許多困難。為了滿足制造業(yè)對輕質、高性能金屬組件的迫切需求，擴大鎂基復合材料的應用范圍，迫切需要開發(fā)出更先進、更有效、更簡單的制備高性能MMCs的方法。為此，北京航空航天大學王華明院士團隊張成行副研究員和李卓副研究員等人在材料（鎂合金）領域專業(yè)學術期刊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合材料的研究進展，以填補增材制造鎂基復合材料領域的空白。同時，也揭示了AM MMCs在目前和未來各個領域的應用潛力、發(fā)展趨勢以及未來的研究思路，無疑，這項工作將給AM MMCs領域的研究人員提供幫助，為今后增材制造鎂基復合材料的研究方向提出了具體建議。

二、論文圖片

圖1 復合材料的微觀結構示意圖

圖2 增材制造的設計和制造工藝概述

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

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

圖5 增材制造技術的類型

圖6 PBF和DED技術的示意圖

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：(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 晶粒微觀結構(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

圖12 LPBF法對SiC/WE43復合材料的碳化硅顆粒分布

圖13 (a)測量的激光吸收，（b-d）模擬了AZ31B合金和CNTs/AZ31B復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，正范德華勢和負化學鍵能；捕獲的能壘，如果布朗勢大于能壘，布朗捕獲發(fā)生，(c)自發(fā)捕獲，負范德華勢和負化學鍵能，(d)金屬熔核殼納米顆粒體系的構建示意圖和(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復合材料α-Mg顆粒中Al8Mn5顆粒的AEM/EDS分析，以及SiCnp生長控制效果的(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細胞在Cu/ZK60提取物中培養(yǎng)1、3和5d后的相對生長速率

三、關鍵結論

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

1、鎂基復合材料的組成設計上：(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)、體積分數(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、增材制造鎂基復合材料原料的選擇上：必須提高和優(yōu)化原料的質量和特性，建立AMmmc（增材制造鎂基復合材料）的粉末和電線的使用標準。

3、增材制造工藝的研究上：(i)必須積極探索相關加工參數(shù)的影響，闡明微觀特征的演化機制和缺陷的類型、分布、大小的影響機制AM部分綜合機械性能，并闡述強非平衡態(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，可以實時揭示AM過程中缺陷的形成機理和各種缺陷的相互耦合效應。結合數(shù)值模擬技術，可以實現(xiàn)對AM MMCs的缺陷、微觀結構和性能的精確控制。（iii）制造多孔材料可以提高利用AM技術制造新的多功能部件的能力。（iv）開發(fā)表面質量和尺寸精度的在線監(jiān)測和智能控制系統(tǒng)勢在必行。

4、AM MMCs的機理分析上：(i) 探索MMCs的微觀結構特征和演化規(guī)律，以及在增強體存在的條件下沉淀物和基體之間的相互擴散行為和增材制造過程中的復雜及多次熱循環(huán)。（ii）探索沉淀相與基體界面反應層的生長動力學和微觀擴散機制（iv）進一步研究增材制造鎂基復合材料的斷裂機理。

5、AM MMCs的其他性能的擴展上：可以靶向提高鎂基復合材料的高溫性能、耐磨性、導電性、腐蝕性和生物相容性等特定性能，進一步擴大MMCs的應用范圍。

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備標準化施工，規(guī)范組織和性能，從根本上解決“增材制造零件機械性能能達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