根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，金屬基復(fù)合材料因其卓越的力學(xué)性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域而具有廣闊的發(fā)展前景。在航空航天、汽車(chē)、機(jī)械、合金和建筑材料等行業(yè)中，金屬基復(fù)合材料的使用范圍正在不斷擴(kuò)大，其競(jìng)爭(zhēng)力也在不斷增強(qiáng)。在裝備技術(shù)不斷演變的背景下，金屬基復(fù)合材料在新型裝備研發(fā)中的重要性日益凸顯，尤其是在提升裝備精度、效能、壽命和可靠性等關(guān)鍵指標(biāo)上具有重要作用。例如，納米粉體、纖維及金屬粉末技術(shù)的進(jìn)步，以及材料基因組研究方法的采用，使得材料性能有了顯著提升。

金屬基復(fù)合材料在民用領(lǐng)域也迎來(lái)了良好的發(fā)展時(shí)機(jī)，全球性的能源危機(jī)催生了輕量化技術(shù)的需求，金屬基復(fù)合材料在電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通等領(lǐng)域的部分零部件應(yīng)用中成為無(wú)可替代之選。此外，隨著智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)于具備低密度、高耐磨性、高剛度以及低成本特性的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的需求日益增長(zhǎng)，而金屬基復(fù)合材料能夠充分滿(mǎn)足這些需求。

近期，江蘇科技大學(xué)的陳靚瑜副教授，澳大利亞埃迪斯科文大學(xué)的張來(lái)昌教授在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表了《增材制造金屬基復(fù)合材料概述：制備、性能及挑戰(zhàn)》的綜述。該綜述探討了增材制造技術(shù)制備金屬基復(fù)合材料的方法、性能和挑戰(zhàn)，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了重要參考和指導(dǎo)。通過(guò)比較傳統(tǒng)制備方法和增材制造技術(shù)，論文強(qiáng)調(diào)了增材制造制備的金屬基復(fù)合材料具有更均勻分布的增強(qiáng)材料和細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)，可能表現(xiàn)出更優(yōu)越的力學(xué)性能。該綜述為該領(lǐng)域的研究提供參考和指導(dǎo)。

導(dǎo) 讀

金屬基復(fù)合材料作為一種具有優(yōu)異性能的材料，在航空航天、汽車(chē)、能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料制備方法通常包括攪拌鑄造、鍛造、擴(kuò)散連接、浸滲和粉末冶金等工藝，這些方法通常需要多道工序，并且為了獲得所需形狀和尺寸的零件，還需要進(jìn)行加工，從而增加了金屬基復(fù)合材料組件的生產(chǎn)成本。一些特定類(lèi)型的金屬基復(fù)合材料，如鈦基復(fù)合材料，具有較低的熱導(dǎo)率和高度的化學(xué)活性，因此可能會(huì)出現(xiàn)一些不良問(wèn)題。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始探索利用這一技術(shù)制備金屬基復(fù)合材料的可能性。增材制造技術(shù)可以通過(guò)逐層堆疊材料的方式制造復(fù)雜的幾何形狀，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)材料在金屬基體中的均勻分布，從而提高金屬基復(fù)合材料的性能。相比傳統(tǒng)制造方法，增材制造制備的金屬基復(fù)合材料具有更均勻分布的增強(qiáng)材料和細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)，因此可能表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。然而，盡管增材制造技術(shù)在制備金屬基復(fù)合材料方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，但仍然面臨著一些挑戰(zhàn)，例如新方法和新技術(shù)用于研究增材制造制備的金屬基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料的固有特性與增材制造技術(shù)的結(jié)合等問(wèn)題。

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▲圖1 增材制造金屬基復(fù)合材料：工藝、原料及性能。

研究背景 

金屬基復(fù)合材料由金屬基體和增強(qiáng)體緊密結(jié)合而成，具有高模量、高強(qiáng)度、良好的耐磨和耐腐蝕性能，以及優(yōu)異的高溫性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料制備方法包括攪拌鑄造、鍛造、擴(kuò)散連接、浸滲和粉末冶金等工藝，然而這些方法通常需要多道工序，且為了獲得所需形狀和尺寸的零件，還需要進(jìn)行加工，從而增加了金屬基復(fù)合材料組件的生產(chǎn)成本。特定類(lèi)型的金屬基復(fù)合材料，如鈦基復(fù)合材料，可能存在熱導(dǎo)率較低和化學(xué)活性較高的問(wèn)題，使得傳統(tǒng)制備方法面臨一定的挑戰(zhàn)。

隨著增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，人們開(kāi)始探索利用增材制造技術(shù)制備金屬基復(fù)合材料的可能性。增材制造技術(shù)通過(guò)逐層堆疊材料的方式制造復(fù)雜的幾何形狀，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)材料在金屬基體中的均勻分布，從而提高金屬基復(fù)合材料的性能。相比傳統(tǒng)制備方法，增材制造技術(shù)制備的金屬基復(fù)合材料具有更均勻分布的增強(qiáng)材料和細(xì)化的微觀結(jié)構(gòu)，因此可能表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。本文還強(qiáng)調(diào)了增材制造技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)制備方法的優(yōu)勢(shì)，包括設(shè)計(jì)自由度、材料節(jié)約、快速原型制作、定制生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

 最新進(jìn)展

在論文中，介紹了幾種可用于生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料的增材制造技術(shù)，包括粉末床熔化、直接能量沉積、粉末噴射和噴涂技術(shù)。這些增材制造技術(shù)為生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料提供了多樣化的選擇，可以根據(jù)具體需求和應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的技術(shù)。同時(shí)，也介紹了在金屬基復(fù)合材料增材制造過(guò)程中所使用的原材料，如霧化復(fù)合材料粉末、簡(jiǎn)單機(jī)械混合粉末、球磨混合粉末和衛(wèi)星粉末。

▲圖2 可用于增材制造工藝的四種復(fù)合粉末：(a)氣體霧化粉末，(b)機(jī)械混合粉末，(c)球磨粉末和(d)衛(wèi)星粉末(經(jīng)許可使用，版權(quán)所有(2010、2019、2020、2022)，愛(ài)思唯爾)。

通過(guò)結(jié)合不同的增材制造技術(shù)和合適的增強(qiáng)體，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)高性能的金屬基復(fù)合材料，為航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域提供更多可能性。論文同時(shí)討論了制備增材制造金屬基復(fù)合材料的原料和增強(qiáng)體的重要性。常用的增強(qiáng)材料包括氧化物、碳化物和硼化物等。通過(guò)選擇合適的原料和增強(qiáng)體，來(lái)制備高性能的金屬基復(fù)合材料。論文同時(shí)給出了大量的增材制造金屬基復(fù)合材料的實(shí)際案例，如鋁基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料、鎳基復(fù)合材料、鐵基復(fù)合材料等。

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同時(shí)指出增材制造技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)制備方法的優(yōu)勢(shì)，如設(shè)計(jì)自由度、材料節(jié)約、快速原型制作和定制生產(chǎn)等。增材制造金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制與傳統(tǒng)意義上的金屬基復(fù)合材料并無(wú)多大區(qū)別，主要包括Hall-Petch強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、載荷傳遞強(qiáng)化和Orowan強(qiáng)化。但增材制造技術(shù)為生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料提供了多樣化的選擇，可以根據(jù)具體需求和應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的技術(shù)，從而提高金屬基復(fù)合材料的性能。

▲圖3 激光粉末床熔合制備的不同尺寸SiC顆粒的Al基復(fù)合材料的相組成、相對(duì)密度和性能：(a)XRD圖譜，(b)相對(duì)密度，(c)硬度，(d)磨損率（經(jīng)許可使用，版權(quán)所有(2015)，愛(ài)思唯爾)。

▲圖4 電子束粉末床熔合制備Ti-6Al-4V和TiB/Ti-6Al-4V復(fù)合材料及鍛造TiB/Ti-6Al-4V復(fù)合材料的力學(xué)性能：(a)拉伸曲線，(b)拉伸結(jié)果；(c)電子束粉末床熔合制備Ti-6Al-4V、電子束粉末床熔合制備TiB/Ti-6Al-4V復(fù)合材料和鍛造TiB/Ti-6Al-4V復(fù)合材料在拉伸過(guò)程中的斷裂機(jī)理示意圖(經(jīng)許可使用，版權(quán)所有(2020)，愛(ài)思唯爾)

▲圖5 采用單熔、重熔和重熔策略對(duì)激光粉末床熔合生產(chǎn)的金剛石/Cu復(fù)合材料的制造質(zhì)量和相對(duì)密度進(jìn)行比較：(a)采用重涂策略，(b）采用重熔策略，(c)金剛石/Cu相對(duì)密度與能量密度，(d)金剛石/Cu相對(duì)密度與掃描速度；(e)-(f)熔化、重涂和重熔策略的說(shuō)明(經(jīng)許可使用，版權(quán)所有(2022)，愛(ài)思唯爾)。

 未來(lái)展望 

增材制造金屬基復(fù)合材料仍面臨的挑戰(zhàn)，比如如何提高生產(chǎn)效率和降低成本，怎么更好的結(jié)合金屬基復(fù)合材料的固有特性與增材制造技術(shù)的固有特性以及增材制造技術(shù)制備金屬基復(fù)合材料可能面臨的成本挑戰(zhàn)。展望未來(lái)，需要克服這些挑戰(zhàn)，推動(dòng)增材制造制備金屬基復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，并拓展其在航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用，從而提高金屬基復(fù)合材料的制備效率和性能，推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。

來(lái)源： 3D科學(xué)谷 極端制造 IJEM