顆粒增強鋁基復合材料激光增材制造研究現狀

摘要：首先，介紹激光增材制造技術；然后，重點論述顆粒增強鋁基復合材料（PAMCs）的研究現狀，并分析不同種類的強化相顆粒對復合材料性能的影響；接著，探討PAMCs制備過程中存在的問題；最后，展望PAMCs未來的研究方向。

關鍵詞：激光增材制造；鋁基復合材料；顆粒增強

中圖分類號：TB333 """"""""""文獻標志碼：A """""""""""文章編號：1674-2605（2024）06-0002-09

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2024.06.002"""""""""""""""""""""開放獲取

Research Status of Laser Additive Manufacturing of Particle Reinforced Aluminum Matrix Composites

WANG Chuhan QI Chaoqi

（1.School of Materials Science and Engineering， Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan 430074， China

2.Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer Co.， Ltd.， Shanghai 200245， China）

Abstract："In this paper， the main principles of laser additive technology are briefly introduced， and the main characteristics of each method are introduced. Secondly， the research status of particle reinforced aluminum matrix composites （PAMCs） in recent years is discussed， and different particle types of reinforcement phase are analyzed. On this basis， the existing difficulties in the research and preparation of particle-reinforced aluminum matrix composites are discussed， including the influence of brittle phase formation on mechanical properties， the difficulty of regulating interfacial reaction， and the high laser reflectivity of aluminum alloy. Finally， the shortcomings of the current research on particle reinforced aluminum matrix composites are summarized， and the future research direction is predicted， that is， further optimization of process parameters and powder ratio， expansion of more process methods， and research and verification in actual production.

Keywords： laser additive manufacturing; aluminum matrix composites; particle reinforced

0 引言

鋁合金作為一種重要的有色金屬材料，被廣泛應用于航空航天、船舶、汽車、電力等領域^[1-2]。鑒于鋁合金構件常在極端條件下服役，需要其具備高承載力、高可靠性、高精度、輕量化等性能^[3]。因此，進一步改善鋁基材料的組成成分和內部組織，提高鋁合

金的性能，對鋁合金產業的發展至關重要。相關研究證明，在合金中添加強化相顆粒是一種有效提升合金性能的方法^[4]。

激光增材制造是近年來興起的一種先進制造技術，具有熱影響區小、制造成型周期短、工件變形小、組織致密、粒度及含量變化大等特點，可控性好，能夠實現高質量的三維自動加工^[5]。近年來，相關學者對不同種類的鋁合金激光增材制造開展了大量的研究，使相關技術及工藝得到了進一步的發展。

本文主要介紹顆粒增強鋁基復合材料（particle reinforced aluminum matrix composites，"PAMCs）的研究進展，并針對不同種類的強化相顆粒進行對比分析；探討鋁基復合材料激光增材制造過程中存在的不足，并對其未來發展方向進行展望。

1 激光增材制造

1.1 激光增材制造原理

增材制造是20世紀80年代后發展起來的一種新型加工方法，其通過自下而上的方式逐層堆疊材料，可得到近凈成型的零部件^[6]，提高了材料的利用率，縮短了產品的制造周期。激光增材制造是將激光作為能量源進行增材制造的方法，相較于電子束增材制造，避免了對環境真空度的要求，可加工大尺寸零件；相較于電弧增材制造，熱輸入量小、熔池穩定、應力裂紋少，可獲得更加細小的微觀組織，從而得到組織緊密的高性能零部件^[7]。

1.2 激光增材制造技術

激光增材制造技術主要分為選區激光熔化（selec-tive laser melting，"SLM）和激光金屬沉積（laser metal deposition，"LMD）2種。其中，SLM技術按三維CAD切片模型規劃的路徑在金屬粉末床層進行逐層掃描，金屬粉末通過熔化、凝固達到冶金結合的效果，最終得到金屬零部件；LMD技術將粉末或金屬絲輸送到聚焦激光束的基板上，形成一個小熔池并逐層連續沉積材料，最終得到成型的零部件。

目前，激光增材制造技術的研究主要集中在工藝參數、成型樣件性能測試等方面。其中，工藝參數包括基材與強化相的類型及其比例、填料送入速度、激光功率和掃描參數等；成型樣件性能測試包括樣件的拉伸強度、表面硬度、耐磨損性能、熱膨脹系數等。

在鋁基復合材料的激光增材制造過程中，強化相不僅影響成型樣件性能，還影響工藝選擇，因此強化相的種類成為近年來研究的熱點。合理添加強化相顆粒，能夠有效改善鋁合金的硬度、比強度、比剛度^[8]。

2 鋁基復合材料激光增材制造的強化相顆粒

傳統的鋁合金材料已經發展多年，其部分性能已趨于極限，需要添加強化相顆粒來進一步提升其性能，由此產生了PAMCs。目前，研究較為廣泛的強化相顆粒主要有TiC"PAMCs、SiC"PAMCs、TiB₂"PAMCs、納米碳PAMCs、混雜PAMCs等5種。

2.1 TiC"PAMCs

TiC具有較高的硬度、耐磨性、化學穩定性和防腐蝕性能，被廣泛應用于航空航天、醫療器械、電子設備等領域^[9]。在鋁基復合材料中添加TiC顆粒能夠細化組織，提高復合材料的室溫拉伸強度、斷裂應變比等^[10]。

文獻[11]在采用SLM技術加工TiC納米顆粒改性的Al-Mg-Li合金過程中，發現添加的TiC納米顆粒降低了熔池內流體的粘性，減少了金屬汽化和液體飛濺的現象；TiC納米顆粒有助于柱狀晶向等軸晶轉變^[12]，所得復合材料的平均晶粒細化到1.5 μm左右；TiC納米顆粒表面發生了從TiC到Al₃Ti的梯度轉變反應，原位形成的Al₃Ti相減少了與Al基體的晶格失配，從而獲得了較好的力學性能。

文獻[13]在采用SLM技術制備TiC/AlSi₁₀Mg復合材料的過程中，發現激光源掃描移動使熔池表面產生張力差，從而引發Marangoni流。在Marangoni效應下熔池不同方向的瞬間熔體速度矢量圖如圖1所示。

由圖1可知：熔池內的Marangoni流促進了流體的流動，加快了熔池內的熱量傳遞，改變了熔池的三維型貌；隨著激光功率的增大，熔池內的最大溫度梯度也逐漸增大；但當激光掃描速度增大時，熔池內的最大溫度梯度僅略微增大^[14]。

文獻[15]采用SLM技術制備了TiC納米顆粒增強的AA2024鋁基復合材料，并發現添加TiC納米顆粒能夠有效抑制裂紋生長，同時改善了鋁合金基體的晶粒組織，如圖2所示。

由圖2可知，隨著添加的TiC納米顆粒增多，晶粒組織明顯細化，同時晶粒從柱狀晶逐漸轉變為等軸晶。這是因為添加的TiC納米顆粒和原位形成的Al₃Ti顆粒與周圍的金屬基體具有一定的取向關系。但TiC納米顆粒添加到一定程度時，顆粒在熔池內難以均勻分布，易產生顆粒團聚現象，導致復合材料的性能下降。

文獻[16]采用外加振動場輔助激光增材制造過程，并發現高頻微振動能夠加速熔池內熔體的流動，產生類似攪拌的效果，使熔池內的氣體和爐渣更快地漂浮到熔池表面，熔池下部更加致密，從而減少合金中的氣孔，獲得更精細、均勻的組織。

文獻[17]采用同軸送粉LMD技術制備了TiC/"AA5024鋁基復合材料，并發現添加TiC顆粒并未增強和硬化AA5024，但能夠均勻化顯微組織。添加TiC顆粒使復合材料內層區的柱狀晶轉變為等軸晶，降低了鋁基體的自由能，促進了晶核在TiC基體上生長^[18]。

文獻[19]采用同軸送粉LMD技術制備了TiC納米顆粒增強的7075鋁基復合材料，并發現隨著TiC納米顆粒含量的增加，復合材料裂紋的尺寸、密度和表面孔隙率均有所降低；晶粒面積逐漸減小，拉伸強度逐漸提高。在熔池凝固過程中，TiC納米顆粒作為形核位點促進了非均相形核，減小了晶粒尺寸。此外，TiC納米顆粒在凝固后的組織中存在釘扎效應，可提升復合材料的力學性能。添加TiC納米顆粒后，其與熔池內的元素發生反應，通過調整工藝參數，可以控制反應的生成相。

綜上所述，TiC"PAMCs具有更細化的晶粒和更致密的組織，這是因為在熔池凝固過程中，添加的TiC顆粒阻礙了熔池內部晶粒的自由生長。晶粒的細化、TiC顆粒的固溶強化和承載強化效應增強了復合材料的力學性能。然而，當TiC顆粒添加較多時，易產生顆粒團聚現象，影響復合材料的性能。未來研究可以聚焦于解決顆粒團聚現象，嘗試通過工藝優化、外加

能場等方式，影響熔池內部的微運動，以調整強化相顆粒的分布。

2.2 SiC"PAMCs

SiC"PAMCs是一種新型輕質材料，具備高強度、高剛度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等性能^[20]。目前已有大量傳統方法制備的SiC PAMCs進入應用階段^[21]。

文獻[22]采用SLM技術制備了SiC PAMCs，并發現在高溫下反應界面處的SiC顆粒與Al基體發生冶金反應，生成Al₄SiC₄。Al₄SiC₄為長針狀脆性相，會降低組織性能。

文獻[23]以SiC納米顆粒為強化相制備了SiC"PAMCs，發現復合材料樣件的微觀組織由柱狀晶轉變為等軸晶，如圖3所示。

由圖3可知，添加了SiC納米顆粒后，復合材料樣件的晶粒明顯細化，柱狀晶基本轉變為等軸晶。在細晶強化作用下，提高了復合材料樣件的硬度、抗拉強度、屈服強度，降低了延伸率，斷裂模式主要為脆性斷裂。

文獻[22-23]研究表明，在熔池凝固時，SiC作為非均相形核的中心可抑制晶粒生長，提高了復合材料樣件的硬度和拉伸強度。因為SiC納米顆粒的界面反應面積加大，在熔池內更易形成各類脆性相，所以SiC納米顆粒的增強效果弱于SiC微米顆粒。

文獻[24]采用SLM技術制備了含有不同質量分數的SiC/AlSi₁₀Mg復合材料，并發現當SiC顆粒含量為5%時，復合材料的晶粒明顯細化。這是由于SiC顆粒及其反應生成物可作為非均相形核的位點，能夠促進熔池內的α-Al形核。力學測試結果表明，應力集中和脆性析出相是導致復合材料韌性下降的主要原因。

文獻[25]制備了SiC微米顆粒增強的AlSi₁₀Mg合金，并發現添加SiC微米顆粒能提升合金的硬度和耐磨性能，且SiC質量分數越高，增強效果越好。當添加的SiC微米顆粒質量分數達5%時，反應體系中過量的C元素開始與Al元素反應，產生Al₄C₃（常見的針狀脆性相^[26]），會導致復合材料的韌性下降。

文獻[27]采用SLM技術成型了SiC/AlSi₁₀Mg復合材料，并發現隨著SiC顆粒質量分數的增加，復合材料的激光吸收率也逐漸增加、熱導率逐漸下降，且提高了熔池溫度，延長了液相的存在時間。增加輸入的激光能量，可進一步提高熔池溫度，延長液相的存在時間，促進熔池的流動鋪展，減少未熔合孔洞。但激光能量過高時，劇烈的溫度梯度易導致熔池卷入環境氣體，形成氣孔，降低了復合材料的致密度；同時，溫度過高，冶金反應加劇，會生成更多的脆性相。

文獻[28]提出一種SLM技術與真空壓力滲透相結合的方法，利用4種不同粒徑的SiC粉末和3種粒徑組合，制備不同堆積密度的SiC/AA6063復合材料，并發現隨著SiC的體積百分比從36.7 vol%增加到"""50.1 vol%，復合材料樣件的密度逐漸增加，熱膨脹系數逐漸減小。

文獻[29]提出一種超聲振動輔助同軸送粉LMD技術，并發現在振動作用下，熔池內的空化泡急劇膨脹和收縮，誘發空化效應^[30]，有助于熔池內溶解氣體的快速上浮排出，從而減少氣孔，提高了復合材料樣件的致密度。當SiC的重量百分比在5～10 wt%時，能有效抑制發生界面反應；若繼續添加SiC顆粒，會出現長針狀脆性相Al₄SiC₄。

綜上所述，SiC"PAMCs能減小晶粒尺寸，產生細晶強化效應，提高復合材料的力學性能。但添加SiC顆粒會向熔池內引入C元素，過量的C元素易與Al基體反應生成針狀脆性相Al₄C₃，降低了復合材料的韌性。在SiC"PAMCs制備過程中，如何有效控制Al₄C₃的生成，是當前研究的關鍵，也是確保復合材料整體性能的重要環節。對此，可以從冶金動力學的角度出發，通過對熔池內元素的組成和熔池環境的調控，包括控制粉末配比、熱輸入量來調整熔池內部的冶金反應過程，減少Al₄C₃的生成。

2.3 TiB₂"PAMCs

TiB₂為典型的六方結構，大Π鍵和Ti原子的外層電子使其具有較好的導電性能，原子間的Ti-B離子鍵使其具有較大的硬度^[31]。采用TiB₂"PAMCs能夠增強其抗拉性能和硬度^[32]。

文獻[33]采用SLM技術得到一種TiB₂增強的Al-Cu-Mg復合材料，打印后的樣件為雙峰結構，晶粒相細化明顯，細化后的晶粒平均尺寸約為4.63 μm。固溶處理后的樣件具有良好的強度和延展性。

文獻[34]優化了SLM技術的主要參數，得到了 "2 wt% TiB₂/AlSi₁₀Mg復合材料，并發現激光功率增加或激光掃描速率降低，會使樣件中共晶Si的網絡變薄、尺寸減小、連續性降低。

文獻[35]分別采用SLM技術與同軸送粉LMD技術制備了TiB₂顆粒增強的Al-Si合金。LMD技術制備的樣件由于熱量積累導致Si呈塊狀析出，同時有針狀Al₃Ti脆性相生成；SLM技術制備的樣件中沒有明顯的顆粒團聚現象，其樣件密度比LMD技術制備的樣件密度大約2.8%。

文獻[36]分別采用LMD、SLM技術研究了TiB₂亞微米顆粒對TiB₂/2024Al復合材料晶粒形態演變的作用。LMD技術制備的樣件顯微組織由等軸晶組成；SLM技術制備的樣件只觀察到柱狀晶粒的細化。根據熱模擬結果和Hunt準則可知，LMD過程的熔池凝固條件有利于TiB₂和Al基體之間Al-Ti層的形成，通過提高核密度促進α-Al晶粒從柱狀向等軸轉變^[37]。

對比LMD、SLM技術，LMD技術更易產生熱量積累，導致顆粒團聚；而SLM技術制備的復合材料晶粒細化程度略低。但兩種技術制備的復合材料均因晶粒細化而增強了復合材料的強度和塑性。

綜上所述，由于TiB₂ PAMCs不向熔池內引入額外的Si或C元素，有效避免了脆性相Al₄C₃的生成；TiB₂顆粒相較于Al基體具有更高的激光吸收率，打亂了熔池內部自上而下的正向溫度梯度，促進了熔池流動，減少了顆粒團聚現象；TiB₂顆粒起到釘扎作用，進一步阻礙了晶粒沿熱流方向生長^[38]；TiB₂顆粒分散在基材中，產生了晶界強化、固溶強化、承載強化和Orowan強化等效果。目前，TiB₂ PAMCs的主要問題在于易產生顆粒團聚和Al₃Ti脆性相。下一步可以圍繞這兩個問題展開研究，通過控制熔池微環境，避免產生上述問題。為此，從工藝角度出發，可通過控制添加強化相顆粒和增材制造參數對增材制造過程中的冶金反應過程進行調控，也可外加第三方能場對熔池施加影響。

2.4 納米碳PAMCs

碳納米管（carbon"nano"tube， CNT）、石墨烯（graphene，"GR）等是近年來興起的新型納米碳材料。CNT和GR為sp²雜化結構^[39]，其獨特的化學鍵及空間結構，使它們具有良好的物理、力學性能。盡管金剛石不具有sp²雜化結構，但作為典型的硬質相顆粒也被用于納米碳PAMCs的制備。相較于傳統的金屬陶瓷顆粒，納米碳顆粒具有較高的強度、模量、導熱系數，較低的密度、熱膨脹系數。采用納米碳作為鋁基復合材料的強化相顆粒，可以保持鋁合金高模量、高導熱、高導電的性能優勢。

文獻[40]采用SLM技術研究添加CNT對Al-Mg-Sc-Zr基材的顯微組織和力學性能的影響，發現復合材料樣件的各項性能相較于基材均有所提高；樣件中Al₃（Sc，Zr）納米析出相在晶粒組織中均勻分布，部分CNT與基體中的Al元素發生原位反應，生成沿軸向生長的Al₄C₃脆性相，如圖4所示。

由圖4可知：生成的Al₄C₃主要沿CNT邊緣分布；且生成區域因反應產生缺陷，破壞了CNT的完整性，導致其強化能力下降，不利于復合材料的性能優化。

文獻[41]采用SLM技術制備了CNT"PAMCs樣件，并發現提高能量密度能夠增加熔池的尺寸和溫度，降低熔池內液相的粘性，提高潤濕性，增強熔池間的搭接程度，減少孔洞等缺陷。

文獻[42]選用膨脹的GR納米片作為強化相顆粒制備了GR增強的Scalmalloy復合材料樣件，并發現隨著膨脹的GR納米片含量增加，作為等軸晶形核質點的Al₄C₃也逐漸增加，復合材料的機械性能也有所提升^[43]。當GR納米片的質量分數為0.1%時，復合材料的硬度為138.1 HV，相較于基材提升了24.6%，且抗拉強度與屈服強度也有較大提升。

文獻[44]采用SLM技術制備了不同質量分數的金剛石/AlSi₁₀Mg復合材料樣件，并發現當金剛石含量提升時，樣件的導熱性能得到提高；金剛石含量超過15%時，對導熱系數的影響較小，這是因為金剛石含量的增加，導致樣件的整體致密度降低，抵消了導熱性能增加的效果。

綜上所述，納米碳PAMCs不僅改善了鋁合金在激光增材制造過程中激光反射率高的問題，還提高了復合材料的力學性能。目前，納米碳PAMCs面臨的主要問題是C元素增加，導致的Al₄C₃脆性相生成，以及顆粒團聚現象。進一步研究的主要方向聚焦于減少有害脆性相的析出。對此，可通過調整工藝參數或引入其他元素對冶金反應過程進行調控，抑制有害反應。顆粒團聚控制可以考慮通過調整熱輸入量（激光功率和激光掃描速度），或結合其他方法（外加振動等），對熔池進行攪拌。

2.5 混雜PAMCs

單一類型的強化相顆粒各有優勢，但也有局限性。相較于單一PAMCs，混雜PAMCs因其具有更致密的組織結構和較好的機械性能，在工業應用中展現出更廣闊的前景^[45]。為此，許多學者嘗試將多種強化相顆粒進行組合，以進一步發揮各種強化相顆粒的優勢。

文獻[46]采用SLM技術制備了（TiB₂+SiC）/ AlSi₁₀Mg復合材料，并探究相關成型工藝參數對樣件性能的影響。研究結果表明：能量密度增大，有助于形成Marangoni流，從而減少顆粒團聚現象。相較于基材，復合材料具有更細化的晶粒，這是因為TiB₂納米顆粒作為異質形核位點，限制了晶粒生長空間。載荷傳遞、細晶強化和彌散強化均提高了復合材料的強度，而晶粒細化提高了復合材料的塑性。

文獻[47]采用絲粉LMD技術與鈦合金化相結合的方法制備了（SiC+Ti）/Al復合樣件。通過添加適量的Ti（Ti∶SiC=3∶10）包裹SiC顆粒，可防止Al₄C₃形成大片狀結構，避免產生過量的Al₃Ti。如圖5所示，在SiC顆粒周圍引入Ti后，熔池中的Ti原子向SiC表面遷移，并與SiC溶解的C原子反應，生成TiC；"TiC將SiC顆粒包裹，阻止了SiC的進一步溶解，從而抑制了Al₄C₃的生成。

綜上所述，混雜PAMCs能夠結合不同強化相顆粒的優點，有效減少單一顆粒增強時生成脆性相的問題，且不同強化相顆粒之間的相互作用也能進一步優化復合材料的性能。由于混雜PAMCs存在強化相顆粒種類多、熔池成分復雜、冶金反應難以預測等問題，目前開展的相關研究相對較少，大量的強化相顆粒組合亟待實驗驗證。進一步的研究可從強化相顆粒分布與冶金反應分析入手，通過對組織型貌、元素組成分布進行研究，并與性能測試相結合，建立組織與性能之間的聯系。

3 存在的問題

鋁合金具備良好的性能，而激光增材制造不僅能夠實現一體化的近凈成型，還為添加強化相顆粒提供了新途徑。目前，在PAMCs的激光增材制造領域存在以下問題：

1） 基材大多選擇Al/Si系合金，強化相顆粒大多集中于SiC、TiC、TiB₂等，對于其他基材與強化相顆粒組合的研究相對較少；

2） 大部分研究集中于SLM技術和送粉LMD技術，其他技術研究相對較少；

3） 研究局限于塊體復合材料的增材制造，距離直接成型結構件仍有較大差距。

4 展望

未來針對PAMCs激光增材制造的研究可關注以下幾個方面：

1） 改良顆粒，包括對顆粒粒徑、強化相顆粒與基材配比等方面的改良，旨在進一步降低顆粒團聚現象，減少冶金反應中脆性相的生成；

2） 拓展新的強化相顆粒種類，對當前研究較少的強化相顆粒種類開展實驗，研究不同強化相顆粒對鋁基復合材料內部體系產生的影響；同時，嘗試多種強化相顆粒的共同作用，對激光增材制造過程中的冶金反應進行控制，進一步抑制脆性相的生成；

3） 開發新工藝，研究不同工藝對相同材料性能的影響；同時，在現有工藝基礎上開發特種成型件，如超大件、復雜件、變組分器件等的相關工藝，以拓展激光增材制造的適用范圍。

?The author（s） 2024. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 License （https：//creativecommons.org/licenses/ by-nc-nd/4.0/）

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作者簡介：

王楚晗，男，2001年生，在讀碩士研究生，主要研究方向：激光定向能量沉積。E-mail："the_yshdl@163.com

齊超琪，女，1994年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：激光選區融化。E-mail："qichaoqi_nuaa@126.com