北航王华明院士顶刊综述丨镁基复合材料增材制造的缺陷与调控方法、研究进展及展望

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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，北京航空航天大学大型金属部件增材制造国家工程实验室王华明院士团队研究人员等人在材料（镁合金）领域专业学术顶级期刊Journal of Magnesium and Alloys发表最新研究成果，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。

图1. 金属基复合材料的应用

图2. 金属增材制造科技面临的重大挑战

图3. 航空领域

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

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。

图10. 不同增材制造系统与过程示意图

图11. 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12. LPBF法对SiC/WE43复合材料的碳化硅颗粒分布

图13. (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14. 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

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。