网状铝基复合材料部件的3D打印制造及可调增强

来源：长三角G60激光联盟

《Scientific Reports》网状铝基复合材料部件的3D打印制造及可调增强

金属基复合材料(MMCs)等先进材料对创新、国家安全和应对气候变化至关重要。金属基复合材料因其优异的机械性能和热性能而被广泛应用于军事、航空航天和汽车领域，但由于制造工艺昂贵且繁琐，其应用一直进展缓慢。本文提出了一种采用熔融长丝制造三维打印的新工艺，无需工具或机械加工即可制造净形MMC。该工艺包括打印氧化铝预成型体，然后使用熔融铝合金的无压渗透来形成复合材料。通过这种工艺可以形成任意形状的复合材料--如制动杆和法兰，并且可以通过改变陶瓷填充的几何图案和陶瓷载荷来调整复合材料性能。采用35 Vol%的连续纤维增强，铝复合材料的强度和模量分别超过了 800 MPa 和 140 GPa，性能分别是基体铝的3.4倍和2倍。

在MMC中，金属基体用连续或不连续的碳或陶瓷纤维和/或颗粒增强。铝基复合材料(AMCs)是最常见的MMC类型。本文讨论了一种由5层非合金铝和12-15%硼丝增强的扩散键合复合材料。尽管MMC用于军事(例如装甲和弹药)，航空航天(例如发动机部件，起落架)和汽车(例如制动盘)应用，但由于制造困难，特别是成型MMC部件。

近年来，增材制造(AM)，通常被称为3D打印，已经成为制造塑料和金属部件的通用技术，需传统的制造工具。这个创新的过程包括通过一层一层的构建方法将计算机辅助设计(CAD)模型转换为物理对象。

本研究的主要目标是开发一种增材制造（AM）工艺，通过熔融长丝制造（FFF）三维打印技术，结合连续增强技术，生产出具有可调特性的净形铝基复合材料（AMC）。与传统方法或其他用于制造净形高增强 AMC 部件的 AM 技术相比，这种方法在设计方面提供了极大的灵活性，同时大大降低了成本。

熔融长丝制造（FFF）是目前应用最广泛的三维打印技术，包括加热热塑性长丝并将其挤压成熔融材料珠。目前已有 100 多家公司将聚合物基材料的 FFF 商业化，其中一部分公司提供金属解决方案，包括去胶和烧结等后处理步骤，以获得致密的金属零件。此类技术的流程图和说明见图1。连续纤维的加入大大提高了部件的强度和模量，大大超过了仅由塑料材料制成的部件，并且可以优化复合材料部件的拓扑结构。

图 1：金属或陶瓷 FFF 工艺工作流程说明。

图 2 展示了一个凸缘和一个制动杆，这两种三维形状在传统的 MMC 加工中需要定制工具才能形成。

图 2：使用新型 3D 打印技术制造的 AMC 零件（制动杆和法兰）演示。法兰的插入区域显示了渗入的陶瓷填充物（深色区域）和周围的铝基体（浅色区域）。

图 3 显示了填充密度与铝基复合材料的断裂应力和弹性模量之间的关系。随着填充密度的增加，断裂应力和弹性模量都呈现出几乎相同的增长，这与陶瓷微粒增强体体积分数的增加相对应。在探讨的区间内，当有效加固体积分数增加 1.66 倍（从 36% 增加到60%）时，AMC 强度增加 1.62 倍（从 338 MPa增加到 549 MPa），模量增加 1.65 倍（从 89 GPa 增加到147 GPa）。

图 3：弯曲测试中颗粒和连续纤维增强 AMC 的强度和弹性模量与 3D 打印预型件中颗粒和纤维增强体积分数（填充密度）的关系。黑条为弹性模量。灰色条为强度。

图 4：弯曲测试中颗粒和连续纤维增强 AMC 的比强度和比弹性模量与三维打印预型件中颗粒和纤维增强体积分数（填充密度）的关系

图 5：断裂图像显示铝合金基体与氧化铝（a）颗粒和（b）纤维之间有很强的粘附力。

图6：使用三维打印技术制造的微粒强化（80% 填充）AMC 的典型微观结构。

图7：填充密度为 80% 的 AMC 样品填充区域内的微观结构。

图 9：使用 3D 打印技术制造的纤维增强 AMC 的微观结构。

图 11：基于 3D 打印的新型 MMC 制造工艺步骤。

图 12：BSE 陶瓷预型件在经过 (a) 打印；(b)溶剂脱胶；(c) 热脱胶和烧结等制造工序后的宏观和微观结构对比。

先进的应用需要高性能的材料和高效的制造工艺来促进快速创新。熔融长丝制造（FFF）三维打印技术与无压渗透技术相结合，为生产高设计灵活性的净形 MMC 部件提供了一种可行的方法，从而消除了对专用工具的需求。这种方法使工程师不仅能控制增强材料的体积分数，还能通过确定陶瓷填充物的位置和模式来塑造内部材料结构。因此，中尺度结构复合材料得以实现，从而可以在部件的不同区域实现量身定制的特性。此外，有选择性地加入连续纤维增强材料进一步提高了根据特定部件的具体要求定制复合材料性能的能力。

相关文章链接：
Seleznev, M.L., Roy-Mayhew, J.D. & Faust, J.L. Fabrication and tunable reinforcement of net-shaped aluminum matrix composite parts via 3D printing. Sci Rep 13, 16334 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-43514-y