陶瓷增强钛基复合材料的激光增材制造：微观结构、性能、辅助工艺和模拟综述！

来源：焊接科学

钛基复合材料（TMC）优异的综合性能使其成为航空航天和生物医学等重要行业的有前途的候选材料。激光增材制造（LAM）技术促进了钛基材料的制造更加便捷、高效。LAM制造的TMC的微观结构和性能受到多种变量的影响，例如工艺和粉末参数。为了增强复合材料，研究人员尝试了各种增强材料。然而，缺陷和非预期的微观结构经常导致性能不佳。最近的研究探索了通过将LAM与辅助处理工艺相结合来增强材料性能的可能性。此外，数值模拟已被用来优化TMC的LAM过程、阐明机制并进行预测。

近日，哈尔滨工业大学姜风春教授、王建东副教授团队在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》发表最新综述文章“Laser Additive Manufacturing of Ceramic Reinforced Titanium Matrix Composites: A Review of Microstructure, Properties, Auxiliary Processes, and Simulations”，对LAM技术生产的TMC的当前研究进行了全面回顾，强调了其未来发展的潜力。通过建议的研究工作可以潜在地促进LAM制造的TMC的技术发展和实际应用。姜风春教授和王建东副教授为共同通讯作者，曾禹周博士为第一作者。

图1. LAM 制造的 TMC 概述。

图2. LMD系统示意图。

图3. 微结构形成过程示意图：(a) LMD 过程；(b1-2)微米TiC/Ti6Al4V复合材料；(c1-2)纳米TiC/Ti6Al4V复合材料；(d1-2)纳米/微米TiC/Ti6Al4V复合材料

结论与展望
总之，该综述回顾性地讨论了对钛基复合材料(TMC)的基本了解以及通过激光增材制造(LAM)制造的TMC的最新技术。随着增材制造技术产业化进程的不断推进，材料-工艺-结构-性能/功能的相互关系和集成日益受到重视。本综述展示了采用各种参数和不同类型增强材料的TMC的微观结构和性能。研究人员进行了充分的研究，揭示了LAM的影响因素及其对TMC的作用机制，并优化了工艺流程。然而，由于工艺和材料的某些固有特性，LAM制造的TMC仍然存在各种类型的缺陷和问题。抑制孔隙和裂纹或适当调节柱状晶粒和魏氏组织结构是很困难的，尽管它们在绝大多数情况下都是不希望出现的。幸运的是，热处理、超声波处理和电磁处理等辅助处理工艺已被证明可以有效解决这些问题。此外，模拟研究可以通过定量和可视化的方式帮助更深入地了解复杂的多尺度热力学演化的行为，从而为推进该领域的探索提供指导。

TMC的材料选择
碳化钛、硼化钛和氮化钛等陶瓷材料受到LAM领域TMC的青睐，原因有两个。一方面，这些陶瓷由于其较高的模量和硬度，以及与钛合金良好的相容性，可以对钛材料提供显着的强化和硬化效果，这可能会拓宽高性能TMC和钛合金的未来应用场景。从而促进先进复合材料的发展。另一方面，LAM技术由于其能量密度高、效率高、灵活性好、材料浪费少等显着优势，为生产耐火陶瓷增强复合材料提供了一种有效的方法。因此，先进的LAM技术的发展也将通过适应新材料而加速。值得一提的是，除了外源添加的手段外，还可以通过原位的方式生成预期的增强相，这对于提高TMCs的力学性能具有重要意义。相应地，陶瓷粉末的替代材料，例如本综述中提到的石墨烯纳米片和碳纳米管，值得进一步研究。此外，最近还注意到一种新的增材制造TMC的原理或方法，它利用甲烷（CH4）或氮气（N2）与钛合金液池之间的气液反应来获得纳米级原位TiC或TiN加强。初步研究表明，通过这种方法可以实现高强度和良好塑性性能的良好结合。这表明原料材料和相关技术的创新将是有价值的研究方向之一，可能会解决TMC中传统LAM工艺的棘手问题。

辅助工艺探索
目前，LAM生产的TMC面临着获得更好综合性能的挑战。虽然增强颗粒可以通过提高成核率和促进晶粒的等轴过程来帮助减少强织构和各向异性，但会出现强度和延展性之间不平衡的新问题。尽管屈服强度或断裂强度显着提高，但变形能力的急剧恶化被认为是一个现实的棘手问题，特别是当增强颗粒含量较高时。此外，孔隙、裂纹和不期望的微观结构的形成会加剧这个问题。一方面，适当调整工艺参数、选择球形度高、流动性好的粉末、实施预热、添加抗裂剂等可能是防止上述问题的潜在途径。另一方面，采用辅助过程也可以通过施加外部能量场来改善这些问题。目前，传统热处理在改进LAM制造的TMC方面取得了令人瞩目的发展。尽管如此，这种方法通常需要大型熔炉设备、充足的加工时间和精确的过程控制，这增加了研究和生产成本。鉴于此，迫切需要一种更有效、更简单的方法来协调TMC的综合机械性能。目前已有许多最新、先进的辅助工艺成功应用于原位合成TMCs或LAM制造的钛合金，如超声处理（超声振动、超声冲击、超声滚压等）、表面处理（喷丸）等。喷丸、激光冲击喷丸、超声波喷丸等）、电脉冲等。目前，对采用这些治疗技术的TMC的LAM进行的研究很少。很快，尝试将这两个领域结合起来可能是值得的，因为这可能有助于发现有效的方法来突破LAM制造的TMC面临的挑战。

模拟开发
如上所述，各种辅助工艺有可能被引入TMC的LAM制造中，从而为定制其微观结构和机械性能带来更多机会。不同技术的结合决定了必须充分考虑热场、声场、磁场、变形场等多物理场耦合的复杂问题。对于TMC来说，基体和增强材料各自的相演化行为和强化/增韧机制可能会进一步拓宽研究范围。随着各种模拟思想、方法论和计算工具的发展，这些深刻的机制和科学问题将得到更好的阐明。

通讯作者
王建东，男，1987年11月出生，博士，副教授，材料科学与工程专业硕士生导师。2018年7月入职哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院先进材料成形制造团队。近年在Additive manufacturing, Ceramics International, Journal of Materials Processing Technology, Optics & Laser Technology 、中国激光等国际知名杂志上发表论文20余篇，申请发明专利10余项。作为项目负责人承担国家自然科学基金、基础研究重点项目激光增减材复合制造装备与技术专题、国家重点研发计划“制造技术与关键部件”专项“大面积柔性沉底微纳传感器关键技术”子任务、黑龙江省自然科学基金联合引导项目、中国博士后科学基金面上资助、中央高校基本科研业务费项目等多个项目。作为技术骨干参与国家重点研发计划项目2项、国家重点研发计划政府间国际合作项目1项、上海航天创新基金1项。Additive manufacturing、Materials Science & Engineering A、International Journal of Mechanical Sciences、Optics & Laser Technology、Rapid Prototyping Journal、Rare Metal Materials and Engineering、Acta Metallurgica Sinica (English Letters) 、中国激光、中国科学等杂志审稿人。主要研究方向为金属及金属基复合材料的激光熔化沉积、点阵结构及复合材料的选区激光熔化、复杂结构件的增减材复合制造等。

姜风春，男，1963年2月出生，工学博士，教授，材料学科博士生导师。国家重点研发计划“增材制造与激光制造”项目首席专家。现任黑龙江省增材制造创新团队负责人、哈尔滨工程大学先进材料成形与制造团队负责人、烟台研究（生）院先进材料与制造技术团队负责人、山东省“十大产业”智库首批专家、中国力学学会爆炸力学专业委员会委员、科工局军用材料基础与应用技术专家、中国3D打印联盟理事。1987年7月毕业于哈尔滨船舶工程学院金属材料及热处理专业，1994年4月和2000年4月在哈尔滨工程大学分别获得机械学硕士学位和固体力学博士学位，先后在该校被聘任为助教、讲师和副教授。2001年6月至2011年4月在美国University of California, San Diego（UCSD）机械与航空航天系工作，先后任博士后研究员和助理项目科学家，2011年4月全职回国工作，组建了先进材料成形与制造研究团队。目前主要进行金属复合材料优化设计与制造、增材制造技术与装备，开展了重型增减材复合制造技术与装备研究领域、研发了国内第一台超声波快速固结成形与增材制造装置，应用超声波快速成形与制造技术在国内率先开展了金属层状复合材料与结构、以及金属空心球复合材料制造技术研究。迄今为止，已经发表学术论文160 余篇，申请国家发明专利30余项。

论文引用
Zeng Y, Wang J, Liu X, et al. Laser Additive Manufacturing of Ceramic Reinforced Titanium Matrix Composites: A Review of Microstructure, Properties, Auxiliary Processes, and Simulations[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2023: 107941.

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107941