金属基复合材料因其卓越的力学性能和广泛的应用领域而具有广阔的发展前景。在航空航天、汽车、机械、合金和建筑材料等行业中，金属基复合材料的使用范围正在不断扩大，其竞争力也在不断增强。在装备技术不断演变的背景下，金属基复合材料在新型装备研发中的重要性日益凸显，尤其是在提升装备精度、效能、寿命和可靠性等关键指标上具有重要作用。例如，纳米粉体、纤维及金属粉末技术的进步，以及材料基因组研究方法的采用，使得材料性能有了显著提升。
金属基复合材料在民用领域也迎来了良好的发展时机，全球性的能源危机催生了轻量化技术的需求，金属基复合材料在电动汽车、轨道交通等领域的部分零部件应用中成为无可替代之选。此外，随着智能制造产业的发展，对于具备低密度、高耐磨性、高刚度以及低成本特性的高速往复运动部件的需求日益增长，而金属基复合材料能够充分满足这些需求。
近期，江苏科技大学的陈靓瑜副教授，澳大利亚埃迪斯科文大学的张来昌教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表了《增材制造金属基复合材料概述：制备、性能及挑战》的综述。该综述探讨了增材制造技术制备金属基复合材料的方法、性能和挑战，为相关领域的研究提供了重要参考和指导。通过比较传统制备方法和增材制造技术，论文强调了增材制造制备的金属基复合材料具有更均匀分布的增强材料和细化的微观结构，可能表现出更优越的力学性能。该综述为该领域的研究提供参考和指导。
▲论文链接：极端制造
导读
金属基复合材料作为一种具有优异性能的材料，在航空航天、汽车、能源等领域得到广泛应用。传统的金属基复合材料制备方法通常包括搅拌铸造、锻造、扩散连接、浸渗和粉末冶金等工艺，这些方法通常需要多道工序，并且为了获得所需形状和尺寸的零件，还需要进行加工，从而增加了金属基复合材料组件的生产成本。一些特定类型的金属基复合材料，如钛基复合材料，具有较低的热导率和高度的化学活性，因此可能会出现一些不良问题。随着增材制造技术的发展，人们开始探索利用这一技术制备金属基复合材料的可能性。增材制造技术可以通过逐层堆叠材料的方式制造复杂的几何形状，同时可以实现增强材料在金属基体中的均匀分布，从而提高金属基复合材料的性能。相比传统制造方法，增材制造制备的金属基复合材料具有更均匀分布的增强材料和细化的微观结构，因此可能表现出更好的力学性能。然而，尽管增材制造技术在制备金属基复合材料方面具有诸多优势，但仍然面临着一些挑战，例如新方法和新技术用于研究增材制造制备的金属基复合材料、金属基复合材料的固有特性与增材制造技术的结合等问题。
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▲图1 增材制造金属基复合材料：工艺、原料及性能。
研究背景
金属基复合材料由金属基体和增强体紧密结合而成，具有高模量、高强度、良好的耐磨和耐腐蚀性能，以及优异的高温性能，被广泛应用于航空航天、汽车等领域。传统的金属基复合材料制备方法包括搅拌铸造、锻造、扩散连接、浸渗和粉末冶金等工艺，然而这些方法通常需要多道工序，且为了获得所需形状和尺寸的零件，还需要进行加工，从而增加了金属基复合材料组件的生产成本。特定类型的金属基复合材料，如钛基复合材料，可能存在热导率较低和化学活性较高的问题，使得传统制备方法面临一定的挑战。
随着增材制造技术的快速发展，人们开始探索利用增材制造技术制备金属基复合材料的可能性。增材制造技术通过逐层堆叠材料的方式制造复杂的几何形状，同时可以实现增强材料在金属基体中的均匀分布，从而提高金属基复合材料的性能。相比传统制备方法，增材制造技术制备的金属基复合材料具有更均匀分布的增强材料和细化的微观结构，因此可能表现出更好的力学性能。本文还强调了增材制造技术相对于传统制备方法的优势，包括设计自由度、材料节约、快速原型制作、定制生产等优点。
最新进展
在论文中，介绍了几种可用于生产金属基复合材料的增材制造技术，包括粉末床熔化、直接能量沉积、粉末喷射和喷涂技术。这些增材制造技术为生产金属基复合材料提供了多样化的选择，可以根据具体需求和应用场景选择合适的技术。同时，也介绍了在金属基复合材料增材制造过程中所使用的原材料，如雾化复合材料粉末、简单机械混合粉末、球磨混合粉末和卫星粉末。
▲图2 可用于增材制造工艺的四种复合粉末：(a)气体雾化粉末，(b)机械混合粉末，(c)球磨粉末和(d)卫星粉末(经许可使用，版权所有(2010、2019、2020、2022)，爱思唯尔)。
通过结合不同的增材制造技术和合适的增强体，可以实现生产高性能的金属基复合材料，为航空航天、汽车等领域提供更多可能性。论文同时讨论了制备增材制造金属基复合材料的原料和增强体的重要性。常用的增强材料包括氧化物、碳化物和硼化物等。通过选择合适的原料和增强体，来制备高性能的金属基复合材料。论文同时给出了大量的增材制造金属基复合材料的实际案例，如铝基复合材料、钛基复合材料、镍基复合材料、铁基复合材料等。
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同时指出增材制造技术相对于传统制备方法的优势，如设计自由度、材料节约、快速原型制作和定制生产等。增材制造金属基复合材料的强化机制与传统意义上的金属基复合材料并无多大区别，主要包括Hall-Petch强化、位错强化、载荷传递强化和Orowan强化。但增材制造技术为生产金属基复合材料提供了多样化的选择，可以根据具体需求和应用场景选择合适的技术，从而提高金属基复合材料的性能。
▲图3 激光粉末床熔合制备的不同尺寸SiC颗粒的Al基复合材料的相组成、相对密度和性能：(a)XRD图谱，(b)相对密度，(c)硬度，(d)磨损率（经许可使用，版权所有(2015)，爱思唯尔)。
▲图4 电子束粉末床熔合制备Ti-6Al-4V和TiB/Ti-6Al-4V复合材料及锻造TiB/Ti-6Al-4V复合材料的力学性能：(a)拉伸曲线，(b)拉伸结果；(c)电子束粉末床熔合制备Ti-6Al-4V、电子束粉末床熔合制备TiB/Ti-6Al-4V复合材料和锻造TiB/Ti-6Al-4V复合材料在拉伸过程中的断裂机理示意图(经许可使用，版权所有(2020)，爱思唯尔)
▲图5 采用单熔、重熔和重熔策略对激光粉末床熔合生产的金刚石/Cu复合材料的制造质量和相对密度进行比较：(a)采用重涂策略，(b）采用重熔策略，(c)金刚石/Cu相对密度与能量密度，(d)金刚石/Cu相对密度与扫描速度；(e)-(f)熔化、重涂和重熔策略的说明(经许可使用，版权所有(2022)，爱思唯尔)。
未来展望
增材制造金属基复合材料仍面临的挑战，比如如何提高生产效率和降低成本，怎么更好的结合金属基复合材料的固有特性与增材制造技术的固有特性以及增材制造技术制备金属基复合材料可能面临的成本挑战。展望未来，需要克服这些挑战，推动增材制造制备金属基复合材料技术的发展，并拓展其在航空航天、汽车等领域的应用，从而提高金属基复合材料的制备效率和性能，推动该领域的发展。
作 者
陈靓瑜，秦鹏，张莉娜，张来昌
机 构
江苏科技大学
澳大利亚伊迪斯科文大学
Citation
Chen L Y, Qin P, Zhang L and Zhang L C. 2024. An overview of additively manufactured metal matrix composites: preparation, performance, and challenge. Int. J. Extrem. Manuf. 6, 052006.
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