陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的激光增材制造：微觀結(jié)構(gòu)、性能、輔助工藝和模擬綜述！

來源：焊接科學(xué)

鈦基復(fù)合材料（TMC）優(yōu)異的綜合性能使其成為航空航天和生物醫(yī)學(xué)等重要行業(yè)的有前途的候選材料。激光增材制造（LAM）技術(shù)促進(jìn)了鈦基材料的制造更加便捷、高效。LAM制造的TMC的微觀結(jié)構(gòu)和性能受到多種變量的影響，例如工藝和粉末參數(shù)。為了增強(qiáng)復(fù)合材料，研究人員嘗試了各種增強(qiáng)材料。然而，缺陷和非預(yù)期的微觀結(jié)構(gòu)經(jīng)常導(dǎo)致性能不佳。最近的研究探索了通過將LAM與輔助處理工藝相結(jié)合來增強(qiáng)材料性能的可能性。此外，數(shù)值模擬已被用來優(yōu)化TMC的LAM過程、闡明機(jī)制并進(jìn)行預(yù)測。

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)姜風(fēng)春教授、王建東副教授團(tuán)隊(duì)在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》發(fā)表最新綜述文章“Laser Additive Manufacturing of Ceramic Reinforced Titanium Matrix Composites: A Review of Microstructure, Properties, Auxiliary Processes, and Simulations”，對LAM技術(shù)生產(chǎn)的TMC的當(dāng)前研究進(jìn)行了全面回顧，強(qiáng)調(diào)了其未來發(fā)展的潛力。通過建議的研究工作可以潛在地促進(jìn)LAM制造的TMC的技術(shù)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。姜風(fēng)春教授和王建東副教授為共同通訊作者，曾禹周博士為第一作者。

圖1. LAM 制造的 TMC 概述。

圖2. LMD系統(tǒng)示意圖。

圖3. 微結(jié)構(gòu)形成過程示意圖：(a) LMD 過程；(b1-2)微米TiC/Ti6Al4V復(fù)合材料；(c1-2)納米TiC/Ti6Al4V復(fù)合材料；(d1-2)納米/微米TiC/Ti6Al4V復(fù)合材料

結(jié)論與展望
總之，該綜述回顧性地討論了對鈦基復(fù)合材料(TMC)的基本了解以及通過激光增材制造(LAM)制造的TMC的最新技術(shù)。隨著增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，材料-工藝-結(jié)構(gòu)-性能/功能的相互關(guān)系和集成日益受到重視。本綜述展示了采用各種參數(shù)和不同類型增強(qiáng)材料的TMC的微觀結(jié)構(gòu)和性能。研究人員進(jìn)行了充分的研究，揭示了LAM的影響因素及其對TMC的作用機(jī)制，并優(yōu)化了工藝流程。然而，由于工藝和材料的某些固有特性，LAM制造的TMC仍然存在各種類型的缺陷和問題。抑制孔隙和裂紋或適當(dāng)調(diào)節(jié)柱狀晶粒和魏氏組織結(jié)構(gòu)是很困難的，盡管它們在絕大多數(shù)情況下都是不希望出現(xiàn)的。幸運(yùn)的是，熱處理、超聲波處理和電磁處理等輔助處理工藝已被證明可以有效解決這些問題。此外，模擬研究可以通過定量和可視化的方式幫助更深入地了解復(fù)雜的多尺度熱力學(xué)演化的行為，從而為推進(jìn)該領(lǐng)域的探索提供指導(dǎo)。

TMC的材料選擇
碳化鈦、硼化鈦和氮化鈦等陶瓷材料受到LAM領(lǐng)域TMC的青睞，原因有兩個。一方面，這些陶瓷由于其較高的模量和硬度，以及與鈦合金良好的相容性，可以對鈦材料提供顯著的強(qiáng)化和硬化效果，這可能會拓寬高性能TMC和鈦合金的未來應(yīng)用場景。從而促進(jìn)先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展。另一方面，LAM技術(shù)由于其能量密度高、效率高、靈活性好、材料浪費(fèi)少等顯著優(yōu)勢，為生產(chǎn)耐火陶瓷增強(qiáng)復(fù)合材料提供了一種有效的方法。因此，先進(jìn)的LAM技術(shù)的發(fā)展也將通過適應(yīng)新材料而加速。值得一提的是，除了外源添加的手段外，還可以通過原位的方式生成預(yù)期的增強(qiáng)相，這對于提高TMCs的力學(xué)性能具有重要意義。相應(yīng)地，陶瓷粉末的替代材料，例如本綜述中提到的石墨烯納米片和碳納米管，值得進(jìn)一步研究。此外，最近還注意到一種新的增材制造TMC的原理或方法，它利用甲烷（CH4）或氮?dú)猓∟2）與鈦合金液池之間的氣液反應(yīng)來獲得納米級原位TiC或TiN加強(qiáng)。初步研究表明，通過這種方法可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和良好塑性性能的良好結(jié)合。這表明原料材料和相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新將是有價值的研究方向之一，可能會解決TMC中傳統(tǒng)LAM工藝的棘手問題。

輔助工藝探索
目前，LAM生產(chǎn)的TMC面臨著獲得更好綜合性能的挑戰(zhàn)。雖然增強(qiáng)顆�？梢酝ㄟ^提高成核率和促進(jìn)晶粒的等軸過程來幫助減少強(qiáng)織構(gòu)和各向異性，但會出現(xiàn)強(qiáng)度和延展性之間不平衡的新問題。盡管屈服強(qiáng)度或斷裂強(qiáng)度顯著提高，但變形能力的急劇惡化被認(rèn)為是一個現(xiàn)實(shí)的棘手問題，特別是當(dāng)增強(qiáng)顆粒含量較高時。此外，孔隙、裂紋和不期望的微觀結(jié)構(gòu)的形成會加劇這個問題。一方面，適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)、選擇球形度高、流動性好的粉末、實(shí)施預(yù)熱、添加抗裂劑等可能是防止上述問題的潛在途徑。另一方面，采用輔助過程也可以通過施加外部能量場來改善這些問題。目前，傳統(tǒng)熱處理在改進(jìn)LAM制造的TMC方面取得了令人矚目的發(fā)展。盡管如此，這種方法通常需要大型熔爐設(shè)備、充足的加工時間和精確的過程控制，這增加了研究和生產(chǎn)成本。鑒于此，迫切需要一種更有效、更簡單的方法來協(xié)調(diào)TMC的綜合機(jī)械性能。目前已有許多最新、先進(jìn)的輔助工藝成功應(yīng)用于原位合成TMCs或LAM制造的鈦合金，如超聲處理（超聲振動、超聲沖擊、超聲滾壓等）、表面處理（噴丸）等。噴丸、激光沖擊噴丸、超聲波噴丸等）、電脈沖等。目前，對采用這些治療技術(shù)的TMC的LAM進(jìn)行的研究很少。很快，嘗試將這兩個領(lǐng)域結(jié)合起來可能是值得的，因?yàn)檫@可能有助于發(fā)現(xiàn)有效的方法來突破LAM制造的TMC面臨的挑戰(zhàn)。

模擬開發(fā)
如上所述，各種輔助工藝有可能被引入TMC的LAM制造中，從而為定制其微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能帶來更多機(jī)會。不同技術(shù)的結(jié)合決定了必須充分考慮熱場、聲場、磁場、變形場等多物理場耦合的復(fù)雜問題。對于TMC來說，基體和增強(qiáng)材料各自的相演化行為和強(qiáng)化/增韌機(jī)制可能會進(jìn)一步拓寬研究范圍。隨著各種模擬思想、方法論和計(jì)算工具的發(fā)展，這些深刻的機(jī)制和科學(xué)問題將得到更好的闡明。

通訊作者
王建東，男，1987年11月出生，博士，副教授，材料科學(xué)與工程專業(yè)碩士生導(dǎo)師。2018年7月入職哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院先進(jìn)材料成形制造團(tuán)隊(duì)。近年在Additive manufacturing, Ceramics International, Journal of Materials Processing Technology, Optics & Laser Technology 、中國激光等國際知名雜志上發(fā)表論文20余篇，申請發(fā)明專利10余項(xiàng)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目激光增減材復(fù)合制造裝備與技術(shù)專題、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“制造技術(shù)與關(guān)鍵部件”專項(xiàng)“大面積柔性沉底微納傳感器關(guān)鍵技術(shù)”子任務(wù)、黑龍江省自然科學(xué)基金聯(lián)合引導(dǎo)項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金面上資助、中央高�；�本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目等多個項(xiàng)目。作為技術(shù)骨干參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃政府間國際合作項(xiàng)目1項(xiàng)、上海航天創(chuàng)新基金1項(xiàng)。Additive manufacturing、Materials Science & Engineering A、International Journal of Mechanical Sciences、Optics & Laser Technology、Rapid Prototyping Journal、Rare Metal Materials and Engineering、Acta Metallurgica Sinica (English Letters) 、中國激光、中國科學(xué)等雜志審稿人。主要研究方向?yàn)榻饘偌敖饘倩鶑?fù)合材料的激光熔化沉積、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料的選區(qū)激光熔化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的增減材復(fù)合制造等。

姜風(fēng)春，男，1963年2月出生，工學(xué)博士，教授，材料學(xué)科博士生導(dǎo)師。國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“增材制造與激光制造”項(xiàng)目首席專家�，F(xiàn)任黑龍江省增材制造創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、哈爾濱工程大學(xué)先進(jìn)材料成形與制造團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、煙臺研究（生）院先進(jìn)材料與制造技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、山東省“十大產(chǎn)業(yè)”智庫首批專家、中國力學(xué)學(xué)會爆炸力學(xué)專業(yè)委員會委員、科工局軍用材料基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)專家、中國3D打印聯(lián)盟理事。1987年7月畢業(yè)于哈爾濱船舶工程學(xué)院金屬材料及熱處理專業(yè)，1994年4月和2000年4月在哈爾濱工程大學(xué)分別獲得機(jī)械學(xué)碩士學(xué)位和固體力學(xué)博士學(xué)位，先后在該校被聘任為助教、講師和副教授。2001年6月至2011年4月在美國University of California, San Diego（UCSD）機(jī)械與航空航天系工作，先后任博士后研究員和助理項(xiàng)目科學(xué)家，2011年4月全職回國工作，組建了先進(jìn)材料成形與制造研究團(tuán)隊(duì)。目前主要進(jìn)行金屬復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造、增材制造技術(shù)與裝備，開展了重型增減材復(fù)合制造技術(shù)與裝備研究領(lǐng)域、研發(fā)了國內(nèi)第一臺超聲波快速固結(jié)成形與增材制造裝置，應(yīng)用超聲波快速成形與制造技術(shù)在國內(nèi)率先開展了金屬層狀復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)、以及金屬空心球復(fù)合材料制造技術(shù)研究。迄今為止，已經(jīng)發(fā)表學(xué)術(shù)論文160 余篇，申請國家發(fā)明專利30余項(xiàng)。

論文引用
Zeng Y, Wang J, Liu X, et al. Laser Additive Manufacturing of Ceramic Reinforced Titanium Matrix Composites: A Review of Microstructure, Properties, Auxiliary Processes, and Simulations[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2023: 107941.

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107941