北航王華明院士團隊綜述: 鎂基復合材料增材制造研究進展及展望
鎂合金具有極低密度、高比強度、高比剛度、良好的阻尼性能、生物相容性和電磁屏蔽性能、儲氫容量大、可回收性好、電池理論比容量高等顯著的物理和化學性能，被廣泛認為是21世紀最理想的綠色材料。然而，鎂合金的進一步應用還需要克服許多瓶頸：①低彈性模量、低強度、塑性/延性差、較差的蠕變和耐磨性、較高的腐蝕速率阻礙了其在結構領域上的應用；②降解速度快、充放氫窗口窄也阻礙了其在功能材料領域的進一步應用；③傳統制備工藝流程復雜、制造周期長、生產成本高、材料利用率低難以實現大型復雜構件的整體成形。以上瓶頸問題可以通過成分設計及新的制備工藝來解決，以擴大鎂合金構件的應用。結合鎂基復合材料的輕質高性能特性和增材制造成形高性能大型復雜結構件的技術優勢，制備的增材制造鎂基復合材料在汽車、航空航天、消費電子、生物醫藥等前沿高新技術行業具有巨大的潛在優勢和廣闊的應用前景。然而，增材制造鎂基復合材料的應用還存在著許多問題，如成分設計、原材料制備、成形過程工藝控制、缺陷調控、組織性能評價等問題。
最近，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通過系統調研分析增材制造鎂基復合材料當前的研究進展、研究趨勢和研究熱點，綜述了適合制備鎂基復合材料的主要增材制造技術、增材制造過程中典型缺陷的形成機理及控制方法，增材制造鎂基復合材料微觀結構與力學性能、腐蝕性能和生物相容性的關系，基于成分設計和原材料制備提出了目前增材制造鎂基復合材料面臨的主要挑戰，指出了增材制造鎂基復合材料在當前和未來各個領域的應用潛力以及未來發展方向和亟待解決的問題，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。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jma.2023.02.005
該文首先重點介紹了以高能束流（激光、電子束或電弧等）為熱源的金屬增材制造技術，如圖1所示。按照原材料的送給方式、類型和熱源類型，主要分為選區激光熔化（SLM）、電子束選區熔化（EBSM）、激光近凈成形（LENS）和電弧熔絲增材制造（WAAM）。分別介紹了各種增材制造技術的典型特征以及適配的應用場景，如SLM的光束光斑尺寸較小、可以制造出精度較高的金屬部件，配備高性能加熱平臺的EBSM可以大大減少殘余應力的積累，LENS更適合多材料打印，WAAM的沉積速率高、可制備大尺寸零件等。
增材制造過程是一個涉及溫度場、應力場等多個物理場的耦合過程，材料的熔化、凝固、冷卻在極短的時間內完成。成形過程中存在各種不穩定因素，且溫度變化劇烈，熔池的凝固速率比較高，致使制備零件的組織處于非平衡狀態。對于增材制造鎂基復合材料來說，鎂基體與增強體的熱膨脹系數不同，導致形成較大的殘余應力，使得制備的構件相比于金屬合金更容易出現屈曲變形、熔合不良、尺寸精度低、開裂等宏觀缺陷，制備的構件內部也容易出現氣孔、夾雜物、裂紋等微觀缺陷。這些缺陷的存在嚴重惡化構件的性能，特別是在航空航天等高新技術領域，即使是微小的缺陷也會帶來很大的安全隱患，甚至造成事故。因此，本文系統梳理了金屬增材制造過程中產生的典型缺陷類型，如球化效應、氣孔、熔合不良、合金元素燒損和裂紋等，分析了成形過程中以上缺陷的形成機理以及對應的控制方法。
圖1 增材制造技術分類
詳細闡述了近年來通過向不同鎂合金基體中添加陶瓷顆粒、金屬顆粒、碳或碳化物等不同種類增強體制備的增材制造不同復合體系的鎂基復合材料在力學性能（Cu/ZK60、SiC/WE43、CNTs/AZ31B、SiC/AZ91D）、腐蝕性能和生物相容性（Cu/ZK60、BG/ZK60、MBG/ZK60、TiO2/GO-AZ61、GO/ZK30）方面的研究進展，并分析了增材制造過程中形成的微觀組織對相關性能的影響機制，如選區激光熔化(SLM)過程中的快速凝固行為可以顯著細化晶粒，提高力學性能及抗降解能力。同時，可以提高合金元素的固溶度，減少成分偏析，從而限制局部電偶腐蝕的發生。當前對增材制造鎂基復合材料的研究還處于起步階段，未來需要進一步通過調控成分、工藝等途徑優化其力學、腐蝕和生物相容性等性能以適應不同的應用領域。
基于成分設計和粉末原料制備提出了增材制造鎂基復合材料面臨著科學和技術兩方面的主要挑戰：科學挑戰主要包括粉末特性（流動性、粉末粒度和形狀分布）、粉末與熱源的相互作用、分層結構特征、弱化缺陷以及更好地量化冶金特性；技術挑戰包括工藝參數的優化、實時監控、標準的建立、高通量測試和大型復雜構件的制造。為了進一步擴大鎂基復合材料在市場上的應用，適用于鎂基復合材料的增材制造必須在可制造性、綜合性能完整性、穩定性和成本之間取得平衡。適配的成分設計和粉末制備是獲得無缺陷、均勻穩定的增材制造鎂基復合材料復的首要條件，也是制備增材制造鎂基復合材料面臨的首要問題。
介紹了增材制造鎂基復合材料在當前和未來各個領域的應用潛力。由于具有重量輕、可持續性好、高比剛度/強度、高溫強度、高耐磨損或耐腐蝕性、良好的尺寸穩定性和力學完整性等優點，可部分替代傳統金屬材料，如圖2所示，增材制造鎂基復合材料可廣泛應用于汽車、航空航天、消費電子、生物醫學工程等領域。在汽車制造業中，重量減少10%可以轉化為燃料消耗減少7%，如果目前使用的汽車材料可以被鎂基復合材料取代，重量將減少22-70%，可用于汽車中的方向盤減震軸、活塞環、托架、傳動軸、連桿等部件。作為一種可行的降低燃料消耗和二氧化碳排放的候選材料，鎂基復合材料可用于衛星、導彈尾翼、飛機螺旋槳等相關結構部件，如支架、襯套、梁等結構部件；鎂基復合材料在軍工產品制造領域的應用，可以實現武器裝備的輕量化，對提高武器的機動性和戰場生存能力具有重要意義。由于具有出色的電磁屏蔽能力和耐環境或室外溫度的特性，鎂基復合材料可作為通信電子產品中手機和便攜式電腦的外殼材料；利用增材制造技術開發具有良好的生物相容性、生物可降解性和低細胞毒性的新型鎂基復合材料，可克服現有生物鎂材料的局限性，探索具有更優結構和降解穩定性的新型生物醫用植入物；較高的儲氫容量和良好的析氫動力學特性使得鎂基復合材料正逐漸成為非常有前途的儲氫材料。
圖2 鎂基復合材料的應用領域
目前對增材制造技術和增材制造鎂基復合材料新材料體系的研究相對有限，與鋁、鎳、鈦基復合材料的增材制造相比，對增材制造鎂基復合材料的研究還處于起步階段，未來增材制造鎂基復合材料的發展方向和急需解決的問題如下：
開發和優化鎂基復合體系包括鎂基體成分、適配增強體類型等，制定適配不同增材制造技術的鎂基復合粉末和線材使用標準，調控和優化增材制造工藝參數弱化或消除內部缺陷、提高表面質量和尺寸精度及開發控制表面質量和尺寸精度的在線監測和智能控制系統；
揭示鎂基復合材料增材制造過程中的微觀組織特征演化規律和對力學性能的影響機制及分析其斷裂機制和失效機理；利用不同類型增強體獨特的性能優勢，針對性地提高鎂基復合材料的特定設計性能以滿足不同環境工況下的應用范圍，開發適配的后處理工藝體系等。
該文章發表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第2期：
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.
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