北航王华明院士团队综述:镁基复合材料增材制造研究进展及前景展望


发布时间:

2021-09-15

增材制造(AM)具有制造周期短、材料利用率高、设计自由度高、机械性能优良、制造复杂结构部件的能力等优点。结合镁基复合材料(MMCs)的高刚度、高强度性能以及AM形成高性能复杂结构件的技术优势,制备的增材制造镁基复合材料(AM MMCs)在汽车、航空、消费电子、生物医药等高新技术工业领域具有巨大的潜在优势和广泛的应用前景。

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研究背景

增材制造(AM)具有制造周期短、材料利用率高、设计自由度高、机械性能优良、制造复杂结构部件的能力等优点。结合镁基复合材料(MMCs)的高刚度、高强度性能以及AM形成高性能复杂结构件的技术优势,制备的增材制造镁基复合材料(AM MMCs)在汽车、航空、消费电子、生物医药等高新技术工业领域具有巨大的潜在优势和广泛的应用前景
虽然镁合金相比其他金属具备许多优势,被广泛认为是21世纪最理想的绿色材料,但也有许多瓶颈阻碍了其进一步应用。在实际应用中,镁合金的进一步应用需要克服许多困难。为了满足制造业对轻质、高性能金属组件的迫切需求,扩大镁基复合材料的应用范围,迫切需要开发出更先进、更有效、更简单的制备高性能MMCs的方法
为此,北京航空航天大学王华明院士团队张成行副研究员和李卓副研究员等人在材料(镁合金)领域专业学术期刊Journal of Magnesium and Alloys(中科院一区TOP, IF: 17.6)发表了题为“Additive manufacturing of magnesium matrix composites: Comprehensive review of recent progress and research perspectives”的研究成果,主要回顾了近年来增材制造镁基复合材料的研究进展,以填补增材制造镁基复合材料领域的空白。同时,也揭示了AM MMCs在目前和未来各个领域的应用潜力、发展趋势以及未来的研究思路,无疑,这项工作将给AM MMCs领域的研究人员提供帮助,为今后增材制造镁基复合材料的研究方向提出了具体建议

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论文图片

图1. 复合材料的微观结构示意图

图2. 增材制造的设计和制造工艺概述

图3. 图表表明,由于不需要修改硬件和工具,生产少量的高度复杂的零件比注射模塑更经济

图4. (a)类别和(b)行业,2013-2019年增材制造行业(c)市场规模和(d)2019-2029年汽车生产收入

图5. 增材制造技术的类型

图5. PBF和DED技术的示意图

图6. 金属增材制造中多尺度、多物理现象的耦合过程示意图

图7. SLM期间的Balling(球状)效应:(a) 100 mm/s、(b) 200 mm/s、(c) 300 mm/s和(d) 400 mm/s

图8. (a)孔隙度和(b-d)融合差(熔融未熔化的粉末颗粒)

图9.(a-b)熔池中热状态的数值模拟和(c-d)在激光增材制造过程中,合金元素的蒸气压和汽化速率作为温度的函数的示意图

图10. 晶粒微观结构(a) ZK60,(b) 0.2Cu/ZK60,(c) 0.4Cu/ZK60,(d) 0.6Cu/ZK60,(e) 0.8Cu/ZK60,(f)晶粒尺寸统计

图11. LPBF法对SiC/WE43复合材料的碳化硅颗粒分布

图12. (a)测量的激光吸收,(b-d)模拟了AZ31B合金和CNTs/AZ31B复合材料的模拟温度分布(e-f)和熔池形貌

图13. 平面凝固前沿和球形纳米颗粒的(a)模型示意图,(b)粘性捕获和布朗捕获,正范德华势和负化学键能;捕获的能垒,如果布朗势大于能垒,布朗捕获发生,(c)自发捕获,负范德华势和负化学键能,(d)金属熔核壳纳米颗粒体系的构建示意图和(e)哈马克常数(zJ)与主要材料的原子序数

图14. (a)TEM/AD91D和LPBF SiC/AZ91D复合材料α-Mg颗粒中Al8Mn5颗粒的AEM/EDS分析,以及SiCnp生长控制效果的(b)示意图

图15. (a)无沉积和(b)银沉积的温度分布激光束中心附近的温度分布图

图16. 人骨肉瘤MG63细胞在Cu/ZK60提取物中培养1、3和

5d后的相对生长速率

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关键结论

目前对AM MMCs的AM技术和新材料体系的研究相对有限。尽管人们对AM工艺、MMCs的微观结构和性能有了一定的了解,但与铝、镍和镁基复合材料的增材制造相比,AM MMCs的发展仍处于初级阶段,增材制造镁基复合材料未来的发展方向和亟待解决的问题如下

1. 镁基复合材料的组成设计上:(i)有必要开发和优化镁基体的组成,以获得与钢筋相匹配的合金体系。(ii)探索更合理的尺寸、类型、形态、体积分数和钢筋的组合。(iii)新型多相加固体系的开发可以有效地克服单相加固分散性差和添加量低的问题。

2.增材制造镁基复合材料原料的选择上:必须提高和优化原料的质量和特性,建立AMmmc(增材制造镁基复合材料)的粉末和电线的使用标准。

3. 增材制造工艺的研究上:(i)必须积极探索相关加工参数的影响,阐明微观特征的演化机制和缺陷的类型、分布、大小的影响机制AM部分综合机械性能,并阐述强非平衡态的凝固行为。(ii)利用高速同步x射线成像等各种原位技术,可以实时揭示AM过程中缺陷的形成机理和各种缺陷的相互耦合效应。结合数值模拟技术,可以实现对AM MMCs的缺陷、微观结构和性能的精确控制。(iii)制造多孔材料可以提高利用AM技术制造新的多功能部件的能力。(iv)开发表面质量和尺寸精度的在线监测和智能控制系统势在必行。

4. AM MMCs的机理分析上:(i) 探索MMCs的微观结构特征和演化规律,以及在增强体存在的条件下沉淀物和基体之间的相互扩散行为和增材制造过程中的复杂及多次热循环。(ii)探索沉淀相与基体界面反应层的生长动力学和微观扩散机制(iv)进一步研究增材制造镁基复合材料的断裂机理。

5. AM MMCs的其他性能的扩展上:可以靶向提高镁基复合材料的高温性能、耐磨性、导电性、腐蚀性和生物相容性等特定性能,进一步扩大MMCs的应用范围。

6. AM后处理系统的研究上:必须开展后续热处理工艺以及后续热等静压、开模锻等密控处理和设备标准化施工,规范组织和性能,从根本上解决“增材制造零件机械性能能达到铸件水平但不满足锻件水平”、“高温耐久性能满足锻件要求,但不满足铸件要求”的问题。

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通讯作者

张成行(一作),中共党员,博士后,宁波市拔尖人才,北京航空航天大学宁波创新研究院副研究员。研究领域主要集中在搅拌摩擦焊接/加工异种铝合金接头力学/耐腐蚀性能,及激光/电弧增材制造铝/镁基复合材料成分/组织/性能调控方法与机理研究。主持宁波市自然科学基金项目、宁波市及北仑区人才项目及参与国家自然科学基金青年基金项目、国防基础科研项目等。在国内外学术期刊和会议上发表学术论文20余篇,其中以第一作者/通讯作者发表SCI论文15篇,申请专利2项。

李卓,博士,北京航空航天大学副研究员、博士生导师,大型金属构件增材制造国家工程实验室骨干成员,北京航空航天大学宁波创新研究院增材制造中心副主任,主要研究领域为新型高强轻质合金及其增材制造技术、高性能结构金属材料激光增材连接及激光焊接技术。本科阶段即在王华明院士的指导下开展钛合金激光表面重熔的相关研究工作,先后从事激光增材制造钛合金组织与性能控制研究、纯钛激光表面重熔过程中的马氏体相变研究等研究,参与科技部重点研发计划、北京市科技计划等科研项目多项。承担国家自然科学基金、国家基础科研等项目3项,作为课题/子任务负责人、项目骨干成员参与国家重点研发计划、北京市科技计划等项目十余项,发表SCI论文30余篇,授权发明专利3项。

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论文引用

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

来源:WAAM电弧增材,编辑:张维官,审核:王颖
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