金屬基復(fù)合材料(metal matrix composites,MMCs)以金屬或合金為基體,增強(qiáng)材料為第二相,通過將增強(qiáng)材料分散到基體材料中制備而成。按基體材料類型可分為鋁基、鎳基、鈦基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等復(fù)合材料;按增強(qiáng)材料形態(tài)可分為連續(xù)纖維增強(qiáng)、非連續(xù)增強(qiáng)(如顆粒、晶須、短纖維)、層狀增強(qiáng)和自生增強(qiáng)等金屬基復(fù)合材料[2]。金屬基復(fù)合材料因具有低熱膨脹系數(shù)、高比強(qiáng)度、高比模量、耐極端溫度、耐磨損等優(yōu)異的物理和力學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、電子器件等領(lǐng)域。然而,粉末冶金、攪拌鑄造、滲透等傳統(tǒng)方法不僅加工步驟繁瑣,而且難以制造滿足尺寸精度要求的復(fù)雜幾何形狀零件。近年來,增材制造技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展為解決這一難題提供了新方案。增材制造技術(shù)(additive manufacturing,AM)是一種根據(jù)三維數(shù)字模型，逐層疊加材料，制造三維實(shí)體的技術(shù)。與減材制造的定向去除和等材制造的受迫成型相比，增材制造技術(shù)無需模具，不受零件復(fù)雜度影響，設(shè)計靈活度高，能夠有效降低生產(chǎn)成本、加速產(chǎn)品開發(fā)、提升產(chǎn)品性能、實(shí)現(xiàn)綠色制造，在航天航空、汽車、電子、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。采用激光增材制造直接成形高熔點(diǎn)金屬基復(fù)合材料構(gòu)件，是當(dāng)前研究領(lǐng)域的一個熱門方向[3-4]。

目前，激光增材制造技術(shù)在材料應(yīng)用方面已涵蓋鈦合金、鋁合金、高溫合金、難熔合金、非晶合金等，在制備金屬基復(fù)合粉末方面已展現(xiàn)出其獨(dú)特優(yōu)勢。高能量密度的激光束能夠使金屬粉末迅速熔化并充分混合，從而確保復(fù)合材料的均勻性和致密性。精確控制激光束的掃描速度和能量密度等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對熔池組織、凝固行為的精確控制，進(jìn)而獲得性能優(yōu)異的復(fù)合材料構(gòu)件[6-7]。此外，還可以根據(jù)實(shí)際需求，制造出具有不同組織、性能和形狀的復(fù)合材料構(gòu)件，滿足航空航天、生物醫(yī)學(xué)、能源等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅堋⒍喙δ懿牧系男枨蟆＠纾梢岳眉す庠霾闹圃旒夹g(shù)制造出具有高強(qiáng)度、高韌性和耐高溫特性的鈦合金、鎳基高溫合金等金屬基復(fù)合材料構(gòu)件，用于發(fā)動機(jī)渦輪葉片、飛機(jī)起落架等關(guān)鍵部件的制造[8]。

激光增材制造技術(shù)在金屬基復(fù)合粉末中應(yīng)用前景廣泛且意義深遠(yuǎn)。本文詳細(xì)闡述了應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料的激光增材制造技術(shù)，包括選區(qū)激光燒結(jié)、選區(qū)激光熔化和激光金屬沉積三種技術(shù)的工作原理，特征優(yōu)勢及局限等。基于對金屬基復(fù)合材料制備過程中原料形態(tài)、基體材料和增強(qiáng)體等關(guān)鍵要素的特性分析，系統(tǒng)分析了激光增材制造技術(shù)在金屬基復(fù)合材料成型加工工藝方面的研究進(jìn)展，并對未來研究方向進(jìn)行展望。

1、常用的激光增材制造技術(shù)

目前，金屬零件增材制造原料形態(tài)以粉末和絲材為主[9]，粉末技術(shù)相較于絲材技術(shù)在激光增材制造中的應(yīng)用更為成熟。本文闡述了以粉床鋪粉為特征的激光粉末床熔融(包括選區(qū)激光燒結(jié)、選區(qū)激光熔化)和以同步送粉為特征的激光直接能量沉積三種工藝類型[10]。

1.1 選區(qū)激光燒結(jié)

選區(qū)激光燒結(jié)(selective laser sintering,SLS)是最早出現(xiàn)的金屬增材制造技術(shù)，由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Carl Deckard于1989年在其碩士論文中提出[11-12]。選區(qū)激光燒結(jié)工作原理示意圖[13]如圖1(a)所示,該技術(shù)以預(yù)置于工作臺上的粉末為原料，以高功率激光器為能量源，根據(jù)模型切片控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末形成零件的一個層面。隨著工作臺的下降和新粉末層的鋪展，激光繼續(xù)逐層燒結(jié)，直至完成整個三維物體的制造。選區(qū)激光燒結(jié)主要包括預(yù)熱、成型及冷卻三個階段[14],典型溫度曲線如圖1(b)所示[15],其中 T S 為粉末初始溫度， T B 為粉末床溫度， T E 為室溫。在預(yù)熱階段，粉體在成型區(qū)域被均勻鋪展并預(yù)熱至接近熔點(diǎn)的溫度，為激光燒結(jié)創(chuàng)造理想條件以減少熱變形。在成型階段，高能激光束根據(jù)切片數(shù)據(jù)選擇性地掃描粉末床，使粉末熔融并逐層粘結(jié)，構(gòu)建出三維物體的每個截面。在冷卻階段，對燒結(jié)的三維制件進(jìn)行冷卻，以確保材料穩(wěn)定性和制件尺寸精度，同時釋放熱應(yīng)力防止變形。因未熔化的粉末可在燒結(jié)過程中起支撐作用，選區(qū)激光燒結(jié)具有自支撐性能，能夠制造出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件[16]。

金屬粉末的選區(qū)激光燒結(jié)可分為添加有機(jī)粘結(jié)劑的間接法和不添加任何有機(jī)粘結(jié)劑的直接法[13]，兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。在使用直接法對單組元金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)時，粘度相對較高，“球化”效應(yīng)較嚴(yán)重，往往需要進(jìn)行后續(xù)處理，不是真正意義上的“直接燒結(jié)”。隨著高功率激光器的發(fā)展，激光束已可以熔化大部分的金屬材料，選區(qū)激光燒結(jié)已逐漸被選區(qū)激光熔化取代。

表1 SLS直接法與間接法對比

Tab.1 Comparison between direct method and indirect method of SLS

1.2 選區(qū)激光熔化

選區(qū)激光熔化(selective laser melting,SLM)是在選區(qū)激光燒結(jié)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種粉末床熔融技術(shù)，由德國Fraunhofer激光研究所最早研究并提出[17-18]。選區(qū)激光熔化的成型過程與選區(qū)激光燒結(jié)基本一致。不同的是在選區(qū)激光熔化過程中金屬粉末在高能量密度激光作用下發(fā)生完全熔化凝固成形而不是固態(tài)燒結(jié)，采用的冶金機(jī)制為完全熔化凝固成型機(jī)制。選區(qū)激光熔化裝置一般由激光器、光路傳輸系統(tǒng)、鋪粉系統(tǒng)和成型腔氣體保護(hù)裝置等組成[19]。圖2(a)為選區(qū)激光熔化工作圖[20],整個工作腔密閉于惰性氣體環(huán)境中，能夠避免金屬材料在高溫下氧化,可以處理鈦合金等活躍金屬,圖2(b)為選區(qū)激光熔化過程中溫度場圖[21]。

與選區(qū)激光燒結(jié)相比，選區(qū)激光熔化成型的零件在尺寸精度和表面質(zhì)量方面具有較大優(yōu)勢。其主要原因在于選區(qū)激光熔化過程中的激光束能量密度高、聚焦性能良好，能夠快速將金屬粉末加熱至熔化溫度，確保熔化過程的高精度和無損性，使得零件成型精度高且殘存應(yīng)力小。除此之外，激光掃描速度快,微小尺寸的熔池冷卻速度極高,使得成型金屬零件晶粒尺寸小，力學(xué)性能也優(yōu)于其他方式[22]。激光光斑直徑和熱影響區(qū)小，可實(shí)現(xiàn)微小結(jié)構(gòu)的精確制造。

選區(qū)激光熔化雖然在金屬增材制造領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，但也存在以下局限:成型速度慢、材料吸收率低;設(shè)備穩(wěn)定性和可重復(fù)性需提高、對工藝參數(shù)高度敏感、難以控制冶金缺陷(如球化現(xiàn)象、孔隙、殘余應(yīng)力和裂紋等);表面粗糙度較高,需要后續(xù)的表面處理來滿足特定的應(yīng)用要求。這些問題導(dǎo)致成型零件性能下降或難以可靠控制，限制了選區(qū)激光熔化在大規(guī)模生產(chǎn)加工中的應(yīng)用。

1.3 激光金屬沉積

激光金屬沉積(laser metal deposition,LMD)的工作原理同選區(qū)激光熔化類似，同樣是采用高能激光束，使金屬粉末熔融或汽化并沉積到基板上，經(jīng)冷卻并固化最終成型三維零件。區(qū)別在于激光金屬沉積過程中的粉末不是預(yù)置在工作平臺上，而是通過送粉器與噴嘴，在激光掃描金屬基板時，被實(shí)時送入基體表面的熔池中[23],如圖3所示。在激光金屬沉積過程中，可采用多個噴嘴同時沉積不同的材料，用于沉積的材料需要在惰性氣體環(huán)境下熔化，以減少氧化和污染,保護(hù)沉積過程,提高沉積質(zhì)量[24]。在制備金屬基復(fù)合材料時，當(dāng)需要向金屬基體粉末中添加一種或多種增強(qiáng)劑，可以通過控制送粉器的流量精確調(diào)節(jié)不同的物料配比[25]。

與選區(qū)激光熔化相比，激光金屬沉積技術(shù)成型效率高，能夠制備包含中空結(jié)構(gòu)和具有材料梯度功能的零件[26]。由于沒有粉末床限制，激光金屬沉積對成型件的尺寸在一定程度上沒有限制，因此適合用來制造大尺寸金屬結(jié)構(gòu)件[27]。激光金屬沉積在快速成形、難加工材料的沉積成形和零件性能提升方面體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢和發(fā)展?jié)撃堋Ｔ摷夹g(shù)早在2000年美國國防部和海軍研究院主導(dǎo)的“鈦合金柔性制造”項(xiàng)目中就展現(xiàn)出其快速成形優(yōu)勢[28]。在零件性能提升方面，該技術(shù)可以通過在現(xiàn)有零件表面熔覆不同類型的材料，提高零件的防腐、耐磨、耐高溫等性能。

激光金屬沉積雖然在制造復(fù)雜金屬零件方面具有顯著優(yōu)勢，但受光斑直徑、粉材粒度及層厚等因素的影響，激光金屬沉積生產(chǎn)的零件通常具有較差的表面光潔度和較低的成型精度，通常需要熱等靜壓、熱處理等后處理工藝來提高零件性能。除此之外，激光金屬沉積在能量利用效率方面低于其他工藝，操作過程中產(chǎn)生的金屬粉末和煙塵對操作人員健康構(gòu)成風(fēng)險，設(shè)備相對復(fù)雜，技術(shù)門檻和維護(hù)成本較高。

2、金屬基復(fù)合材料制備關(guān)鍵要素

2.1 粉末類型

在使用激光增材制造技術(shù)制備金屬基復(fù)合材料過程中，原料形態(tài)以粉末態(tài)為主。氣霧化粉末、機(jī)械混合粉末、球磨粉末和衛(wèi)星粉末是4種常用的典型粉末類型[29-32],如圖4所示,制備方法分別為氣霧化制粉技術(shù)、機(jī)械混合、機(jī)械球磨和濕法造粒。氣霧化金屬粉末具有粒徑細(xì)小、球形度高、氧含量低、成分均勻、固溶度高和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)[33],但價格較貴;機(jī)械混合粉末成本低，但增強(qiáng)體分布不均勻、流動性差;球磨粉末具有良好的界面粘結(jié)性,能夠密封粉末中的孔隙，增強(qiáng)體的尺寸、分布和質(zhì)量分?jǐn)?shù)可控，但制備方法相對復(fù)雜，易引入雜質(zhì)，顆粒形態(tài)容易發(fā)生改變;衛(wèi)星粉末增強(qiáng)體分布均勻，但流動性差、界面粘結(jié)性差。原料形態(tài)能夠顯著影響復(fù)合材料的最終性能，由于機(jī)械混合粉末、球磨粉末和衛(wèi)星粉末的球形度和流動性不如氣霧化粉末，因此在制備高性能復(fù)合材料時應(yīng)首先考慮氣霧化粉末。

2.2 金屬基粉末特性

金屬基粉末作為激光增材制造過程中的主要原料,其粉末特性(如粒度分布、球形度、流動性等)對復(fù)合材料特性有重要影響。金屬基粉末的粒度分布用于描述粉末中不同粒徑顆粒的比例，影響顆粒的流動性和粉末床的最高堆積密度，進(jìn)而影響復(fù)合材料的性能[34-36]。球形度表示顆粒形態(tài)接近球形的幾何程度,球體形態(tài)有助于減少表面摩擦牽引力,提高流動性、擴(kuò)散行為和填料密度[37]。粉末的流動性直接影響鋪粉均勻性或送粉穩(wěn)定性，進(jìn)而影響復(fù)合粉的密度和功能屬性。在預(yù)鋪粉工藝如選區(qū)激光熔化中，一般要求選用粒度較小且粒徑分布窄的金屬粉末，而在送粉工藝如激光金屬沉積中對粉末粒度具有相對較寬的適應(yīng)性，粉末應(yīng)用可從幾十微米的細(xì)粉到數(shù)百微米。目前廣泛應(yīng)用的金屬基粉末主要包括Al、Ni、Ti及其合金等，表2為幾種典型的金屬基粉末材料及其性能。

2.3 增強(qiáng)體

增強(qiáng)體作為復(fù)合材料中起強(qiáng)化作用的組分，是影響復(fù)合材料制備和性能的重要因素。復(fù)合材料中的增強(qiáng)體要求物理、化學(xué)相容性好，載荷承受能力強(qiáng)，與基體材料結(jié)合時的潤濕性較好，盡量避免與基體合金之間產(chǎn)生界面反應(yīng)等[42]。金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體的選擇應(yīng)考慮多種因素，包括尺寸、形貌、熱膨脹系數(shù)、彈性模量、晶體結(jié)構(gòu)、潤濕性和與金屬基體的原位反應(yīng)性等。

表2 典型的金屬基粉末及其性能[38-41]

Tab.2 Typical metal-based powders and their properties[38-41]

在使用非原位法制備金屬基復(fù)合材料時，增強(qiáng)體的尺寸和形貌對其在復(fù)合材料中的分布起著至關(guān)重要的作用[43]。增強(qiáng)體與基體之間的熱膨脹系數(shù)和彈性模量不匹配時，產(chǎn)生的幾何必要位錯能夠提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，但也會導(dǎo)致產(chǎn)生熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋或斷裂。增強(qiáng)體的晶體結(jié)構(gòu)決定其與金屬基體之間的晶格失配程度，而晶格失配進(jìn)一步促進(jìn)凝固過程中熔體的異質(zhì)形核，影響復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能[44]。增強(qiáng)體與基體之間良好的潤濕性有利于降低復(fù)合材料的制備難度，減少組織缺陷，提高界面強(qiáng)度。增強(qiáng)體按其幾何形態(tài)可分為纖維、顆粒和晶須等，目前廣泛應(yīng)用于制備金屬基復(fù)合粉末的增強(qiáng)體主要包括Al?O?、SiC、TiC、B?C等,表3為幾種典型的增強(qiáng)體粉末及其性能[41]。

表3 典型的增強(qiáng)體粉末及其性能[41]

Tab.3 Typical reinforcing powders and their properties[41]

3、激光增材制造金屬基復(fù)合材料

3.1 鋁基復(fù)合材料

鋁基復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)和良好的耐磨性，已成為各工業(yè)部門常用的輕質(zhì)材料[45-46]。傳統(tǒng)的鋁基復(fù)合材料制備方法如粉末冶金法和液相復(fù)合法等存在增強(qiáng)體分布不均、孔隙率高、界面結(jié)合不足等問題[47],激光增材制造技術(shù)的運(yùn)用能夠有效改善這些問題。但鋁基材料由于密度低、激光吸收率低等特殊的物理性質(zhì)，對于激光增材制造而言是典型的難加工材料。與純鋁相比,鋁合金具有更好的綜合性能，在制造鋁基復(fù)合材料時較多使用各種鋁合金，如AlSi10Mg、Al-12Si、Al-Cu等。目前，與鋁基復(fù)合材料有關(guān)的激光增材制造技術(shù)研究和應(yīng)用以選區(qū)激光熔化為主，常用的增強(qiáng)體主要有碳化物(如SiC、TiC)、氧化物(如Al?O?、TiO?)、氮化物(如BN、Si?N?)等。

吳利蕓等[48]研究了不同含量的石墨烯納米片(GNPs)對激光選區(qū)熔化成形的GNPs/AlSi10Mg復(fù)合材料的微觀組織、力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示GNPs含量對材料性能影響顯著。Xiao等[49]通過研究納米TiB?顆粒對選擇性激光熔化加工的AlSi-10Mg合金微觀結(jié)構(gòu)各向異性的影響，發(fā)現(xiàn)添加納米TiB?顆粒能夠顯著細(xì)化晶粒、減弱晶體學(xué)織構(gòu)，從而減少合金的各向異性，并提高其力學(xué)性能。Wang等[50]使用高能球磨法制備TiC/AlSi10Mg納米復(fù)合粉末,經(jīng)選區(qū)激光熔化加工的TiC/AlSi10Mg納米復(fù)合材料的硬度和抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于未增強(qiáng)的AlSi10Mg部分。Cheng等[51]使用選區(qū)激光熔化技術(shù)加工(TiB?+TiC)/AlSi10Mg復(fù)合粉末,并研究其微觀組織和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其抗拉強(qiáng)度與延展性比未增強(qiáng)的AlSi10Mg粉末分別高40.3%和166.7%。與TiB?/AlSi10Mg和 TiC/AlSi10Mg復(fù)合材料相比,(TiB?+TiC)/AlSi10Mg復(fù)合材料具有更好的力學(xué)性能,拉伸強(qiáng)度高達(dá)552.4MPa,伸長率為12%,也顯著高于以往報道的大多數(shù)單顆粒增強(qiáng)AlSi10Mg復(fù)合材料,這些結(jié)果表明雜化粒子增強(qiáng)優(yōu)于單粒子增強(qiáng)。

在選區(qū)激光熔化過程中,粉末特征、激光功率、掃描速度等工藝參數(shù)也會影響鋁基復(fù)合材料成型件的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)[52]。Baitimerov等[53]通過研究粉末特性對選區(qū)激光熔化制備的AlSi12合金孔隙率和微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)具有良好流動性的粉末有利于選區(qū)激光熔化成型。Gu等[54]通過研究納米復(fù)合材料的致密化行為、微觀結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)激光功率和掃描速度是影響選區(qū)激光熔化加工鋁基納米復(fù)合材料致密化行為的主要因素，建立了工藝與性能之間的關(guān)系模型。Jiang等[55]通過研究選擇性激光熔化工藝中掃描速度對碳納米管增強(qiáng)AlSi10Mg復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在1300mm/s的掃描速度下制備的復(fù)合材料展現(xiàn)出較高的相對密度、硬度和抗拉強(qiáng)度。

3.2 鎳基復(fù)合材料

鎳基復(fù)合材料因能夠在一定溫度下保持較高強(qiáng)度、抗腐蝕性、耐疲勞性、抗氧化性等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天發(fā)動機(jī)、火箭推進(jìn)器以及燃?xì)廨啓C(jī)等高溫部件中[56]。圖5為選區(qū)激光熔化成形的鎳基高溫合金發(fā)動機(jī)機(jī)匣,尺寸為?576mm×200mm。利用激光增材制造技術(shù)來加工鎳基復(fù)合材料，不僅能有效提升材料的加工效率，還能顯著增強(qiáng)復(fù)合材料在高溫環(huán)境下的服役性能和耐磨性能，實(shí)現(xiàn)鎳基復(fù)合材料的近似凈成形[57]。目前，激光增材制造技術(shù)已成功應(yīng)用于制備Inconel625、Inconel718和鎳基高溫合金等。與鋁基復(fù)合材料不同，選區(qū)激光熔化和激光金屬沉積在鎳基復(fù)合材料制備方面得到了廣泛研究與應(yīng)用。目前，用于制備鎳基復(fù)合材料的增強(qiáng)體主要包括WC、TiC、SiC等。

在使用選區(qū)激光熔化技術(shù)加工鎳基復(fù)合材料方面，李惠等[58]發(fā)現(xiàn)與Inconel718合金相比，添加0.5%和1%的TiC顆粒的Inconel718復(fù)合材料表面粗糙度變化不大，平均顯微硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都明顯提升，但孔隙數(shù)量隨TiC的增加而增多。高永康等[59]使用機(jī)械球磨粉制備 WC/Inconel718復(fù)合材料,并對其內(nèi)部異質(zhì)界面連接機(jī)制、強(qiáng)化機(jī)制和斷裂行為進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)WC顆粒含量在0wt%~20wt%時，試件成型良好，異質(zhì)界面處無缺陷產(chǎn)生，在加工復(fù)合材料時,強(qiáng)化機(jī)制主要為載荷傳遞強(qiáng)化，斷裂機(jī)制為WC顆粒的脆性斷裂和基體合金的韌性斷裂。Zhang等[60]通過分析選區(qū)激光熔化制造的Inconel625在熱處理過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變，發(fā)現(xiàn)均勻化熱處理可有效減少元素偏析，消除δ相，使組織更均勻。Shi等[61]制備了0.5wt%納米TiC顆粒增強(qiáng)的Inconel718基復(fù)合材料，并研究不同固溶處理溫度(980、1100℃)及后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)兩步時效處理(先720℃保溫8h,后620℃保溫8h)對選區(qū)激光熔化制備的復(fù)合材料性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒在未熱處理和熱處理?xiàng)l件下均能有效增強(qiáng)金屬基體，在熱處理過程中發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶。在980℃固溶處理加時效的條件下,復(fù)合材料展現(xiàn)出1370MPa的抗拉強(qiáng)度，比未增強(qiáng)的Inconel718提高16%。

在使用激光金屬沉積技術(shù)加工鎳基復(fù)合材料方面,王舒等[57]通過分析TiC添加量對TiC/Inconel-625復(fù)合材料的影響，發(fā)現(xiàn)隨著TiC添加量的增加，復(fù)合材料中枝晶間碳化物的數(shù)量增加，一次枝晶間距減小，硬度提升，抗磨損性能增強(qiáng)，但伸長率略有下降。Promakhov等[62]利用NiTi-TB?和Inconel625混合粉末制備TiB?/Inconel625復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)激光金屬沉積可以在Inconel625中引入小于5wt%的NiTi-TB?。Gu等[63]使用不同尺寸的TiC顆粒制備TiC/Inconel718復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)與微米TiC顆粒相比，加入納米TiC顆粒可以形成細(xì)化的柱狀枝晶，并具有發(fā)育良好的次生枝晶。因此，納米TiC/Inconel718復(fù)合材料具有更好的硬度、抗拉強(qiáng)度和耐磨性，且不影響延展性。Zhang等[64]發(fā)現(xiàn)Inconel-718合金在完整的熱處理過程中，會沉淀出約30nm尺寸的強(qiáng)化相γ"。經(jīng)過完整熱處理后，室溫拉伸強(qiáng)度從953MPa提高到1334MPa,斷裂方式為韌性斷裂，斷口表面呈現(xiàn)出帶有斷裂臺階的空洞形貌。高溫力學(xué)性能的各向異性是由定向晶粒尺寸 d(Z) >  d(X) >  d(Y)、更高相對含量的(001)[110]織構(gòu)導(dǎo)致。

3.3 鈦基復(fù)合材料

鈦基復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度、出色的耐腐蝕性和良好的生物相容性等特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、汽車工業(yè)以及生物醫(yī)藥等多個領(lǐng)域[65]。與鎳基復(fù)合材料相同，鈦基復(fù)合材料對選區(qū)激光熔化和激光金屬沉積兩類激光增材制造技術(shù)均表現(xiàn)出良好的適用性。Bartolomeu等[66]對鑄造、熱壓和選區(qū)激光熔融三種不同技術(shù)加工的Ti6Al4V合金的微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)通過選區(qū)激光熔融技術(shù)制造的Ti6Al4V合金展現(xiàn)出卓越的表面硬度和耐磨性能。由于碳纖維和碳化硅纖維等連續(xù)增強(qiáng)材料容易受到激光熱源的破壞，激光增材制造鈦基復(fù)合材料以非連續(xù)增強(qiáng)為主，如顆粒增強(qiáng)。高模量和高強(qiáng)度的碳化物、氧化物和硼化物,如TiC、SiC、Y?O?、TiB等，通常用作鈦基復(fù)合材料中的增強(qiáng)體。

在使用激光增材制造技術(shù)制備鈦基復(fù)合材料方面,除研究增強(qiáng)體、基體材料和工藝參數(shù)對鈦基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響外，部分學(xué)者開始研究某一元素的影響。欽蘭云等[67]通過分析B元素對TiB/Ti6Al4V復(fù)合材料顯微組織和力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)B元素的加入使得鈦基復(fù)合材料的α相細(xì)化,TiB/Ti6Al4V復(fù)合材料的微觀硬度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較傳統(tǒng)Ti6Al4V合金顯著提升。部分學(xué)者開始探索在選區(qū)激光熔化過程中引入反應(yīng)氣制備具有空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鈦基復(fù)合材料的方法。Xiao等[68]在含氮?dú)獾沫h(huán)境下通過原位合成制備具有梯度層狀結(jié)構(gòu)的TiN/Ti復(fù)合材料,通過在激光選區(qū)熔化過程中在層內(nèi)或?qū)又g注入不同濃度的N?,通過激光原位化學(xué)反應(yīng)合成具有TiN陶瓷相增強(qiáng)的剛性層,并通過剛性層(硬陶瓷相)-韌性層(軟金屬相)分布的梯度層狀結(jié)構(gòu)方法來強(qiáng)化合金性能。

4、結(jié)語與展望

激光增材制造技術(shù)已成功應(yīng)用于高性能金屬基復(fù)合材料的加工,并充分發(fā)揮其制造優(yōu)勢。本文綜述了激光增材制造技術(shù)在金屬基復(fù)合材料成形加工中的應(yīng)用，包括技術(shù)原理、關(guān)鍵要素及研究進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體的均勻分布是制備高性能金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵。為制備性能優(yōu)異、滿足實(shí)際應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料，需要綜合考慮激光增材制造技術(shù)粉末加工的優(yōu)缺點(diǎn)、原料狀態(tài)對制備金屬基復(fù)合材料的影響、基體和增強(qiáng)體的性能及相溶性等。

盡管激光增材制造技術(shù)在加工金屬基復(fù)合材料方面展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。在激光增材制造過程中容易產(chǎn)生如球化、孔隙和裂紋等冶金缺陷，這些缺陷會顯著影響復(fù)合材料的性能。如何優(yōu)化加工參數(shù)以控制冶金缺陷(如球化、孔隙和裂紋)，確保材料的均勻性和性能的可重復(fù)性，同時考慮原位反應(yīng)和增強(qiáng)材料的特性是激光增材制造加工金屬基復(fù)合材料面臨的主要挑戰(zhàn)。

激光增材制造技術(shù)在加工金屬基復(fù)合材料上展現(xiàn)出巨大潛力,未來的研究需關(guān)注于以下幾個方向:

(1)加工過程智能化控制。集成高精度監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對加工過程的實(shí)時監(jiān)控，利用大數(shù)據(jù)分析和預(yù)測模型預(yù)測材料的最終性能，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，優(yōu)化質(zhì)量控制。

(2)激光增材制造成本優(yōu)化。激光增材制造成本主要包括材料成本、設(shè)備成本、時間成本等,成本優(yōu)化需要綜合考慮這些因素的影響。

(3)探索金屬基復(fù)合材料的潛在應(yīng)用。金屬基異質(zhì)材料的出現(xiàn)使航空航天、生物醫(yī)療、高端制造等苛刻服役環(huán)境突破當(dāng)前局限、進(jìn)一步發(fā)展成為可能。

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（注，原文標(biāo)題：激光增材制造金屬基復(fù)合材料工藝研究進(jìn)展_郭成波）

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