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作 者

陳靚瑜，秦鵬，張莉娜，張來昌

機 構

江蘇科技大學

澳大利亞伊迪斯科文大學

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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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad54a4

01 文章導讀

金屬基復合材料作為一種具有優異性能的材料，在航空航天、汽車、能源等領域得到廣泛應用。傳統的金屬基復合材料制備方法通常包括攪拌鑄造、鍛造、擴散連接、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，還需要進行加工，從而增加了金屬基復合材料組件的生產成本。一些特定類型的金屬基復合材料，如鈦基復合材料，具有較低的熱導率和高度的化學活性，因此可能會出現一些不良問題。隨著增材制造技術的發展，人們開始探索利用這一技術制備金屬基復合材料的可能性。增材制造技術可以通過逐層堆疊材料的方式制造復雜的幾何形狀，同時可以實現增強材料在金屬基體中的均勻分布，從而提高金屬基復合材料的性能。相比傳統制造方法，增材制造制備的金屬基復合材料具有更均勻分布的增強材料和細化的微觀結構，因此可能表現出更好的力學性能。然而，盡管增材制造技術在制備金屬基復合材料方面具有諸多優勢，但仍然面臨著一些挑戰，例如新方法和新技術用于研究增材制造制備的金屬基復合材料、金屬基復合材料的固有特性與增材制造技術的結合等問題。

近期，江蘇科技大學的陳靚瑜副教授，澳大利亞埃迪斯科文大學的張來昌教授在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表了《增材制造金屬基復合材料概述：制備、性能及挑戰》的綜述。該綜述探討了增材制造技術制備金屬基復合材料的方法、性能和挑戰，為相關領域的研究提供了重要參考和指導。通過比較傳統制備方法和增材制造技術，論文強調了增材制造制備的金屬基復合材料具有更均勻分布的增強材料和細化的微觀結構，可能表現出更優越的力學性能。該綜述為該領域的研究提供參考和指導。

關鍵詞

增材制造；原料；金屬基復合材料；微觀結構；性能

亮 點

• 回顧了金屬基復合材料增材制造的最新進展；

• 總結了金屬基復合材料增材制造技術；

• 介紹了原料和增強材料的特性；

• 回顧了增材制造金屬基復合材料的機械性能；

• 討論了增材制造金屬基復合材料的挑戰。

圖1增材制造金屬基復合材料：工藝、原料及性能。

02 研究背景

金屬基復合材料由金屬基體和增強體緊密結合而成，具有高模量、高強度、良好的耐磨和耐腐蝕性能，以及優異的高溫性能，被廣泛應用于航空航天、汽車等領域。傳統的金屬基復合材料制備方法包括攪拌鑄造、鍛造、擴散連接、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，還需要進行加工，從而增加了金屬基復合材料組件的生產成本。特定類型的金屬基復合材料，如鈦基復合材料，可能存在熱導率較低和化學活性較高的問題，使得傳統制備方法面臨一定的挑戰。

隨著增材制造技術的快速發展，人們開始探索利用增材制造技術制備金屬基復合材料的可能性。增材制造技術通過逐層堆疊材料的方式制造復雜的幾何形狀，同時可以實現增強材料在金屬基體中的均勻分布，從而提高金屬基復合材料的性能。相比傳統制備方法，增材制造技術制備的金屬基復合材料具有更均勻分布的增強材料和細化的微觀結構，因此可能表現出更好的力學性能。本文還強調了增材制造技術相對于傳統制備方法的優勢，包括設計自由度、材料節約、快速原型制作、定制生產等優點。

03 最新進展

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

圖2可用于增材制造工藝的四種復合粉末：(a)氣體霧化粉末，(b)機械混合粉末，(c)球磨粉末和(d)衛星粉末(經許可使用，版權所有(2010、2019、2020、2022)，愛思唯爾)。

通過結合不同的增材制造技術和合適的增強體，可以實現生產高性能的金屬基復合材料，為航空航天、汽車等領域提供更多可能性。論文同時討論了制備增材制造金屬基復合材料的原料和增強體的重要性。常用的增強材料包括氧化物、碳化物和硼化物等。通過選擇合適的原料和增強體，來制備高性能的金屬基復合材料。論文同時給出了大量的增材制造金屬基復合材料的實際案例，如鋁基復合材料、鈦基復合材料、鎳基復合材料、鐵基復合材料等。同時指出增材制造技術相對于傳統制備方法的優勢，如設計自由度、材料節約、快速原型制作和定制生產等。增材制造金屬基復合材料的強化機制與傳統意義上的金屬基復合材料并無多大區別，主要包括Hall-Petch強化、位錯強化、載荷傳遞強化和Orowan強化。但增材制造技術為生產金屬基復合材料提供了多樣化的選擇，可以根據具體需求和應用場景選擇合適的技術，從而提高金屬基復合材料的性能。

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

圖4電子束粉末床熔合制備Ti-6Al-4V和TiB/Ti-6Al-4V復合材料及鍛造TiB/Ti-6Al-4V復合材料的力學性能：(a)拉伸曲線，(b)拉伸結果；(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復合材料和鍛造TiB/Ti-6Al-4V復合材料在拉伸過程中的斷裂機理示意圖(經許可使用，版權所有(2020)，愛思唯爾)

圖5采用單熔、重熔和重熔策略對激光粉末床熔合生產的金剛石/Cu復合材料的制造質量和相對密度進行比較：(a)采用重涂策略，(b）采用重熔策略，(c)金剛石/Cu相對密度與能量密度，(d)金剛石/Cu相對密度與掃描速度；(e)-(f)熔化、重涂和重熔策略的說明(經許可使用，版權所有(2022)，愛思唯爾)。

04 未來展望

增材制造金屬基復合材料仍面臨的挑戰，比如如何提高生產效率和降低成本，怎么更好的結合金屬基復合材料的固有特性與增材制造技術的固有特性以及增材制造技術制備金屬基復合材料可能面臨的成本挑戰。展望未來，需要克服這些挑戰，推動增材制造制備金屬基復合材料技術的發展，并拓展其在航空航天、汽車等領域的應用，從而提高金屬基復合材料的制備效率和性能，推動該領域的發展。

>> 作者簡介 <<

陳靚瑜

江蘇科技大學

陳靚瑜，博士畢業于上海交通大學材料科學與工程學院，澳大利亞埃迪斯科文訪問學者，現于江蘇科技大學材料科學與工程學院任教，副教授職稱，碩士生導師，主持和參與國家級、省部級級市廳級項目10余項，被入選2022、2023年度全球前2%頂尖科學家榜單，江蘇省六大人才高峰、鎮江市科協托舉人才，江蘇科技大學深藍人才，擔任《International Journal of Extreme Manufacturing》《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》《Metals》等多個SCI期刊編輯編委及多個中文核心期刊編委，擔任中國有色金屬學會增材制造技術專業委員會首屆委員，江蘇省航空航天新材料標準化技術標準首屆委員，江蘇省健康管理學會首屆委員 。

陳靚瑜教授長期從事金屬結構材料制備、結構、性能的研究，尤其是3D打印生物醫用鈦合金的制備與使役性能、等離子噴涂功能結構一體化涂層方面的研究。迄今為止在《Materials Science and Engineering R: Report》《International Journal of Extreme Manufacturing》《Acta Materialia》《Corrosion Science》《Composites B: Engineering》等材料領域知名期刊發表論文100余篇，目前引用5000余次，高被引論文7篇，個人H-index指數為38。

張來昌

伊迪斯科文大學

張來昌，澳大利亞伊迪斯科文大學終身教授、先進材料與制備中心主任、機械工程學科負責人、德國“洪堡”學者、全球高被引科學家、先進材料“桂冠獎”獲得者。張教授于2005年畢業中國科學院金屬研究所并獲得博士學位，先后就職于德國達姆斯塔特工業大學和萊布尼茨固體材料研究所、澳大利亞伍倫貢大學大學、西澳大利亞大學和伊迪斯科文大學。張來昌教授長期從事新型材料的制備、結構和性能，尤其是新型鈦合金的制備工藝和性能的研究，研究興趣主要包括金屬增材制造、金屬生物醫用材料、輕量化材料和結構、高強度材料等。迄今為止，已出版英文專著3本、書籍章節21章，發表在《Science》《Progress in Materials Science》《Materials Science Engineering R: Reports》《Advanced Materials》《Materials Today》《Advanced Functional Materials》《Applied Catalysis B: Environmental》《Acta Materialia》《Composites B: Engineering》《Corrosion Science》等國際著名學術期刊發表論文380余篇，H指數為84，引用次數超過2.6萬次。其部分研究成果已經在澳大利亞國家電視臺（ABC）新聞頻道全球直播采訪、澳大利亞《訪談》（The Conversation）采訪報道、中央電視臺（CCTV-4）、新華社和《科技日報》等知名媒體報道。現擔任超過10余本學術期刊的編輯或編委，如《International Journal of Extreme Manufacturing》 《Advanced Powder Materials》《Advanced Engineering Materials》《金屬學報》（英文版）等。

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing（《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿: 作者 編輯：范珂艷 梁煜 審核：關利超

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