鎂合金具有極低密度、高比強(qiáng)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(chǔ)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(xué)性能，被廣泛認(rèn)為是21世紀(jì)最理想的綠色材料。然而，鎂合金的進(jìn)一步應(yīng)用還需要克服許多瓶頸：①低彈性模量、低強(qiáng)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(jié)構(gòu)領(lǐng)域上的應(yīng)用；②降解速度快、充放氫窗口窄也阻礙了其在功能材料領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用；③傳統(tǒng)制備工藝流程復(fù)雜、制造周期長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高、材料利用率低難以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件的整體成形。以上瓶頸問(wèn)題可以通過(guò)成分設(shè)計(jì)及新的制備工藝來(lái)解決，以擴(kuò)大鎂合金構(gòu)件的應(yīng)用。結(jié)合鎂基復(fù)合材料的輕質(zhì)高性能特性和增材制造成形高性能大型復(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)合材料在汽車、航空航天、消費(fèi)電子、生物醫(yī)藥等前沿高新技術(shù)行業(yè)具有巨大的潛在優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。然而，增材制造鎂基復(fù)合材料的應(yīng)用還存在著許多問(wèn)題，如成分設(shè)計(jì)、原材料制備、成形過(guò)程工藝控制、缺陷調(diào)控、組織性能評(píng)價(jià)等問(wèn)題。

        最近，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通過(guò)系統(tǒng)調(diào)研分析增材制造鎂基復(fù)合材料當(dāng)前的研究進(jìn)展、研究趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)，綜述了適合制備鎂基復(fù)合材料的主要增材制造技術(shù)、增材制造過(guò)程中典型缺陷的形成機(jī)理及控制方法，增材制造鎂基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能、腐蝕性能和生物相容性的關(guān)系，基于成分設(shè)計(jì)和原材料制備提出了目前增材制造鎂基復(fù)合材料面臨的主要挑戰(zhàn)，指出了增材制造鎂基復(fù)合材料在當(dāng)前和未來(lái)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力以及未來(lái)發(fā)展方向和亟待解決的問(wèn)題，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。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jma.2023.02.005

      該文首先重點(diǎn)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(shù)，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(qū)激光熔化（SLM）、電子束選區(qū)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(shù)的典型特征以及適配的應(yīng)用場(chǎng)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(tái)的EBSM可以大大減少殘余應(yīng)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(guò)程是一個(gè)涉及溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)的耦合過(guò)程，材料的熔化、凝固、冷卻在極短的時(shí)間內(nèi)完成。成形過(guò)程中存在各種不穩(wěn)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(tài)。對(duì)于增材制造鎂基復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，鎂基體與增強(qiáng)體的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致形成較大的殘余應(yīng)力，使得制備的構(gòu)件相比于金屬合金更容易出現(xiàn)屈曲變形、熔合不良、尺寸精度低、開(kāi)裂等宏觀缺陷，制備的構(gòu)件內(nèi)部也容易出現(xiàn)氣孔、夾雜物、裂紋等微觀缺陷。這些缺陷的存在嚴(yán)重惡化構(gòu)件的性能，特別是在航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域，即使是微小的缺陷也會(huì)帶來(lái)很大的安全隱患，甚至造成事故。因此，本文系統(tǒng)梳理了金屬增材制造過(guò)程中產(chǎn)生的典型缺陷類型，如球化效應(yīng)、氣孔、熔合不良、合金元素?zé)龘p和裂紋等，分析了成形過(guò)程中以上缺陷的形成機(jī)理以及對(duì)應(yīng)的控制方法。

圖1 增材制造技術(shù)分類

       詳細(xì)闡述了近年來(lái)通過(guò)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(qiáng)體制備的增材制造不同復(fù)合體系的鎂基復(fù)合材料在力學(xué)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(jìn)展，并分析了增材制造過(guò)程中形成的微觀組織對(duì)相關(guān)性能的影響機(jī)制，如選區(qū)激光熔化(SLM)過(guò)程中的快速凝固行為可以顯著細(xì)化晶粒，提高力學(xué)性能及抗降解能力。同時(shí)，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(fā)生。當(dāng)前對(duì)增材制造鎂基復(fù)合材料的研究還處于起步階段，未來(lái)需要進(jìn)一步通過(guò)調(diào)控成分、工藝等途徑優(yōu)化其力學(xué)、腐蝕和生物相容性等性能以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

      基于成分設(shè)計(jì)和粉末原料制備提出了增材制造鎂基復(fù)合材料面臨著科學(xué)和技術(shù)兩方面的主要挑戰(zhàn)：科學(xué)挑戰(zhàn)主要包括粉末特性（流動(dòng)性、粉末粒度和形狀分布）、粉末與熱源的相互作用、分層結(jié)構(gòu)特征、弱化缺陷以及更好地量化冶金特性；技術(shù)挑戰(zhàn)包括工藝參數(shù)的優(yōu)化、實(shí)時(shí)監(jiān)控、標(biāo)準(zhǔn)的建立、高通量測(cè)試和大型復(fù)雜構(gòu)件的制造。為了進(jìn)一步擴(kuò)大鎂基復(fù)合材料在市場(chǎng)上的應(yīng)用，適用于鎂基復(fù)合材料的增材制造必須在可制造性、綜合性能完整性、穩(wěn)定性和成本之間取得平衡。適配的成分設(shè)計(jì)和粉末制備是獲得無(wú)缺陷、均勻穩(wěn)定的增材制造鎂基復(fù)合材料復(fù)的首要條件，也是制備增材制造鎂基復(fù)合材料面臨的首要問(wèn)題。

       介紹了增材制造鎂基復(fù)合材料在當(dāng)前和未來(lái)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。由于具有重量輕、可持續(xù)性好、高比剛度/強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、高耐磨損或耐腐蝕性、良好的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)完整性等優(yōu)點(diǎn)，可部分替代傳統(tǒng)金屬材料，如圖2所示，增材制造鎂基復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、消費(fèi)電子、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。在汽車制造業(yè)中，重量減少10%可以轉(zhuǎn)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(fù)合材料取代，重量將減少22-70%，可用于汽車中的方向盤(pán)減震軸、活塞環(huán)、托架、傳動(dòng)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(fù)合材料可用于衛(wèi)星、導(dǎo)彈尾翼、飛機(jī)螺旋槳等相關(guān)結(jié)構(gòu)部件，如支架、襯套、梁等結(jié)構(gòu)部件；鎂基復(fù)合材料在軍工產(chǎn)品制造領(lǐng)域的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)武器裝備的輕量化，對(duì)提高武器的機(jī)動(dòng)性和戰(zhàn)場(chǎng)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(huán)境或室外溫度的特性，鎂基復(fù)合材料可作為通信電子產(chǎn)品中手機(jī)和便攜式電腦的外殼材料；利用增材制造技術(shù)開(kāi)發(fā)具有良好的生物相容性、生物可降解性和低細(xì)胞毒性的新型鎂基復(fù)合材料，可克服現(xiàn)有生物鎂材料的局限性，探索具有更優(yōu)結(jié)構(gòu)和降解穩(wěn)定性的新型生物醫(yī)用植入物；較高的儲(chǔ)氫容量和良好的析氫動(dòng)力學(xué)特性使得鎂基復(fù)合材料正逐漸成為非常有前途的儲(chǔ)氫材料。

圖2 鎂基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域

      目前對(duì)增材制造技術(shù)和增材制造鎂基復(fù)合材料新材料體系的研究相對(duì)有限，與鋁、鎳、鈦基復(fù)合材料的增材制造相比，對(duì)增材制造鎂基復(fù)合材料的研究還處于起步階段，未來(lái)增材制造鎂基復(fù)合材料的發(fā)展方向和急需解決的問(wèn)題如下：
      開(kāi)發(fā)和優(yōu)化鎂基復(fù)合體系包括鎂基體成分、適配增強(qiáng)體類型等，制定適配不同增材制造技術(shù)的鎂基復(fù)合粉末和線材使用標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)控和優(yōu)化增材制造工藝參數(shù)弱化或消除內(nèi)部缺陷、提高表面質(zhì)量和尺寸精度及開(kāi)發(fā)控制表面質(zhì)量和尺寸精度的在線監(jiān)測(cè)和智能控制系統(tǒng)；
       揭示鎂基復(fù)合材料增材制造過(guò)程中的微觀組織特征演化規(guī)律和對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)制及分析其斷裂機(jī)制和失效機(jī)理；利用不同類型增強(qiáng)體獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，針對(duì)性地提高鎂基復(fù)合材料的特定設(shè)計(jì)性能以滿足不同環(huán)境工況下的應(yīng)用范圍，開(kāi)發(fā)適配的后處理工藝體系等。

該文章發(fā)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.

(責(zé)任編輯：admin)

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