导读：在镁合金中引入增强剂形成的镁基复合材料(MMCs)在一定程度上克服了力学性能的局限性，具有比刚度高、比强度高、尺寸稳定性好、减震性能突出、电磁屏蔽性能优异、储氢性能优异等其他部件所不具备的独特优良性能。增材制造(additive manufacturing, AM)是一种新兴的制造技术，是基于三维(3D)数据模型的设计，通过逐层加工获得三维物体，具有制造周期短、材料利用率高、设计自由度高、力学性能优异以及能够制造复杂结构部件等优点。结合金属复合材料的高刚度、高强度特性和增材制造高性能复杂结构件的技术优势，制备的金属复合材料在汽车、航空航天、消费电子、生物医药等高新技术行业具有巨大的潜在优势和广阔的应用前景。本文综述了增材制造镁基复合材料领域的研究进展，重点介绍了主要的增材制造技术，包括选择性激光熔炼(SLM)、电子束选择性熔炼(EBSM)、激光工程网成形(LENS)和线弧增材制造(WAAM)。讨论了在AM加工过程中产生的球化效应、气孔、熔合不良、合金元素损失和裂纹等典型缺陷的形成机理和控制方法。从成分设计和粉末原料的制备方面提出了AM mmc面临的主要挑战。详细阐述了AM mmc的微观结构与力学性能、腐蚀性能和生物相容性的关系。介绍了AM mmc在当前和未来各个领域的应用潜力。最后，展望了AM mmc的发展方向和亟待解决的问题。
镁合金作为工程应用中最轻的金属结构材料，其密度约为铝合金的2/3，铸铁的1/4，钛合金的2/5。镁合金具有极低密度、高比强度、高比刚度、良好的切削加工性、生物相容性等显著的物理化学特性，被广泛认为是21世纪最理想的绿色材料。尽管镁合金与其他金属相比有许多优点，但它的应用仍存在一些瓶颈。在实际应用中，镁合金的进一步应用还需要克服许多困难。一方面弹性模量低，强度低，塑性/延性差，蠕变和耐磨性差，腐蚀速率高阻碍了其在结构中的应用。另一方面，降解速度快、氢气充放电窗口窄也阻碍了其在功能材料领域的进一步应用。这些局限性需要通过寻求合适的方法来扩大镁合金未来在各个领域的应用。
目前，以合金化形式添加稀土元素和以复合形态引入增强体是比较有效的方法。稀土元素的高价格导致其在实际制造中成本高效益低。复合是指在镁基中添加增强剂形成镁基复合材料(MMCs)，在各种试验条件和工程应用中具有较轻的质量和较好的结合性能。mmc保留了镁合金密度低、比弹性模量高、比强度高、比刚度高、尺寸稳定性好、耐高温、抗冲击性好等优点。同时，mmc还具有良好的阻尼性能、电磁屏蔽性能和储氢特性等。因此，它被认为是继铝基复合材料之后又一种极具影响力的轻金属复合材料。这些优异的特性使mmc有望成为当今高科技航空航天、国防和军工产品制造、汽车和电子包装等领域不可缺少的理想的结构和功能复合材料，具有广阔的应用前景和巨大的应用市场[3]。因此，mmc先进制备技术的发展受到了前所未有的关注和重视。
从结构组成上看，mmc由增强体、镁基体以及镁基体与增强体的界面区组成。从复合材料设计理论的角度来看，要在保持轻量化的情况下有效提高镁基的综合力学性能，增强体的选择极为关键。一般而言，mmc的配筋应具有以下三个特点:(i)配筋密度低，力学性能优良;(ii)钢筋结构稳定，制备过程中不易被镁熔体破坏;(iii)增强体与镁基体能形成良好的界面结合。界面在提高复合材料力学性能方面起着重要作用，它可以将载荷从基体转移到增强体上。增强体的均匀分散也是获得优异力学性能的重要因素，而增强体的团聚和缠结以及致密性差会降低复合材料的性能。在mmc的制备过程中，采用了碳化物(SiC、B4C、TiC、ZrC等)、硼化物(TiB2、TiB、ZrB2等)、氮化物(TiN AlN、Si3N4、ZrN、BN等)、氧化物(Al2O3、ZrO2、TiO2、Y2O3等)、金属颗粒(Ti、Cu、Mo、Ni)、碳纤维、碳纳米管等各种增强材料。
近年来mmc的制备工艺种类较多，主要有搅拌铸造、半固态搅拌、自蔓延高温合成、粉末冶金、真空热压、搅拌摩擦加工、电泳沉积、触化成型工艺等，是在传统制备工艺的基础上，结合各种制备技术，引入辅助改进方法而发展起来的。如采用高能超声、轧制、热挤压、开模热锻等辅助工艺，改善了增强体的分散和分布，增强了镁基体与增强体的界面结合。这些多工序、多道次工艺的组合使用，导致制造过程更加繁琐复杂，延长了生产周期，增加了生产成本。在大批量生产过程中不实用，也难以实现精密复杂零件的一体化成形。这些瓶颈制约了高性能mmc的发展和应用。为了满足制造业对轻量化、高性能金属构件的迫切需求，扩大金属复合材料的应用范围，迫切需要开发更先进、更有效、更简单的制备高性能金属复合材料的方法。基于此，北京航空航天大学王华明教授团队对此进行了研究，相关研究成果以题为“Additive manufacturing of magnesium matrix composites:
Comprehensive review of recent progress and research perspectives”发表在Journal of Magnesium
and Alloys上。
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956723000440
目前对增材制造MMCs技术和新材料体系的研究相对有限。虽然对增材制造工艺、MMCs的微观结构和性能有一定的了解，但与铝、镍、钛基复合材料的AM相比，AM MMCs的发展仍处于初级阶段，AMMMCs未来的发展方向和亟待解决的问题。例如MMCs的成分设计问题，主要包括基体合金成分的优化，增强材料的尺寸、类型、形貌、体积分数的选择，增强材料与镁基体之间的界面结合能力匹配，以及增强材料在镁基体中的均匀分布。
镁基体对MMC的性能起着决定性的作用，镁基体优良的力学性能更有利于实现增强与镁基体的强结合。因此，有必要开发和优化镁基体的组成，以获得与增强材料相匹配的合金体系。例如，使用稀土镁合金作为基体合金并引入纳米增强相有望进一步提高MMC的性能。由于增强材料种类繁多，与镁基体相互作用复杂，因此有必要探索更合理的尺寸、类型、形貌、体积分数和增强材料的组合。通过选择合适的过渡材料和采用合理的改性工艺，可以对增强材料进行涂覆。
新型多相加固体系的开发可以有效克服单相加固分散性差、添加量低的问题。结合所有单相增强材料的优异特性，可以为MMCs的设计和制备提供新的思路。
用于AM MMC的原材料主要分为粉末和线材，因此高质量的粉末和线材是提高AM MMC质量和性能的关键。镁合金具有低熔点沸点和高蒸气压的特点，镁在增材制造过程中具有活性和挥发性，导致其成分难以控制。因此，在AM期间系统地控制镁和合金元素的挥发热力学和动力学至关重要。在未来的研究中，提高和优化原料的质量和特性至关重要，例如提高粉末流动性和开发更快，更好，更经济的制备方法，从而生产出适合AM的高质量原料。此外，有必要建立AM MMC的粉末和电线使用标准。
除了基体和增强材料的选择外，AM MMC的性能提升主要取决于加工参数。匹配的加工参数可以实现增强材料的均匀分布和基体-增强的良好界面。
积极探索相关加工参数对增材制造MMCs组织性能的影响，明确显微组织特征的演化机理以及缺陷类型、分布和尺寸对增材制造零件综合力学性能的影响机制，阐述增材制造过程中强非平衡态的凝固行为。
由于孔隙率有助于提高导热性、屈服应力和减轻重量，因此AM零件可以积极利用孔隙率缺陷的缺点。制造多孔材料可以提高使用AM技术制造新的多功能部件的能力。加工参数影响零件的表面质量、尺寸精度和成型过程的稳定性。因此，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。
图1
复合材料微观结构示意图
图2
AM的设计和制造工艺概述
图3
图表显示，由于不需要修改硬件和模具，因此生产少量高度复杂的AM零件比注塑成型更经济
图4
(a) AM应用的类别和(b)行业部门[17]，(c) 2013 - 2019年AM行业的市场规模[18]，(d) 2019 - 2029年AM制造汽车的收入
图5
AM技术的类型。
增材制造工艺中特殊的凝固行为和特殊热物理现象的存在与传统铸造工艺不同，增材的添加也会影响增材制造过程中的凝固行为，导致对增材制造MMCs的组织和性能产生更复杂的影响机理。有必要探索MMCs的微观结构特征和演化规律，如固态相变成核和生长行为，以及增材制造过程中存在增强和复杂多热循环条件下析出物与基体之间的扩散行为。
需要探索沉淀相与基质界面处反应层的生长动力学和微观扩散机理，以揭示从不稳定结构向亚稳态转变的热力学和动力学机理，阐述AM MMCs的强化和增韧机理。应采用TEM、聚焦离子束（FIB）和三维原子探针断层扫描（3D-APT）等先进的表征方法揭示MMCs第二相的析出行为和界面微观结构特征，并结合第一性原理计算来阐述增强、界面和位错的相互作用。
MMCs具有逐层的鳞片特征，在扩张过程中容易引起裂缝路径的变化。断裂时裂纹扩展的变化影响断裂韧性、疲劳强度、抗拉/抗压强度和塑性等力学性能，而增强材料协同影响强化和断裂机理。与金属的常规断裂机理不同，AM MMCs的断裂机理更为独特，因此进一步研究AM MMCs的断裂机理至关重要。
不同类型的MMC增强材料有其特定的特性。利用增强材料独特的性能优势，可以有针对性地改善MMCs的特定性能并达到预期的效果，如高温性能、耐磨性、导电性、腐蚀和生物相容性，可以进一步扩大MMCs的应用范围。
图6
PBF和DED技术原理图
图7
AM系统与流程示意图:(a-b) SLM ， (c-d) EBSM， (e-f) LENS和(g-h) WAAM。
图8
金属AM中多尺度、多物理现象耦合过程示意图
AM零件需要后续热处理，以进一步提高综合性能。然而，目前所有用于AM零件的热处理系统仍然遵循传统的铸件或锻件标准，不能完全应用于AM工艺，导致该技术的广泛应用受到限制。因此，进行后续热处理工艺，以及后续热等静压，开模锻造等致密化处理和设备标准化建设等后处理系统来调节微观组织和性能是必不可少的，从而从根本上解决“AM零件的机械性能可以”的问题达到铸造水平，但达不到锻造水平“和”高温耐久性可以满足锻造的要求，但达不到铸造的要求”。