激光增材制造金属基复合材料：从选区激光烧结熔化到激光金属沉积的工艺演进、增强体-基体界面调控及铝镍钛基复合材料体系化研究进展与智能化制造展望

金属基复合材料(metal matrix composites,MMCs)以金属或合金为基体,增强材料为第二相,通过将增强材料分散到基体材料中制备而成。按基体材料类型可分为铝基、镍基、钛基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料;按增强材料形态可分为连续纤维增强、非连续增强(如颗粒、晶须、短纤维)、层状增强和自生增强等金属基复合材料[2]。金属基复合材料因具有低热膨胀系数、高比强度、高比模量、耐极端温度、耐磨损等优异的物理和力学性能,被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子器件等领域。然而,粉末冶金、搅拌铸造、渗透等传统方法不仅加工步骤繁琐,而且难以制造满足尺寸精度要求的复杂几何形状零件。近年来,增材制造技术的出现和快速发展为解决这一难题提供了新方案。增材制造技术(additive manufacturing,AM)是一种根据三维数字模型，逐层叠加材料，制造三维实体的技术。与减材制造的定向去除和等材制造的受迫成型相比，增材制造技术无需模具，不受零件复杂度影响，设计灵活度高，能够有效降低生产成本、加速产品开发、提升产品性能、实现绿色制造，在航天航空、汽车、电子、医疗、军工等领域应用广泛。采用激光增材制造直接成形高熔点金属基复合材料构件，是当前研究领域的一个热门方向[3-4]。

目前，激光增材制造技术在材料应用方面已涵盖钛合金、铝合金、高温合金、难熔合金、非晶合金等，在制备金属基复合粉末方面已展现出其独特优势。高能量密度的激光束能够使金属粉末迅速熔化并充分混合，从而确保复合材料的均匀性和致密性。精确控制激光束的扫描速度和能量密度等参数，可以实现对熔池组织、凝固行为的精确控制，进而获得性能优异的复合材料构件[6-7]。此外，还可以根据实际需求，制造出具有不同组织、性能和形状的复合材料构件，满足航空航天、生物医学、能源等领域对高性能、多功能材料的需求。例如，可以利用激光增材制造技术制造出具有高强度、高韧性和耐高温特性的钛合金、镍基高温合金等金属基复合材料构件，用于发动机涡轮叶片、飞机起落架等关键部件的制造[8]。

激光增材制造技术在金属基复合粉末中应用前景广泛且意义深远。本文详细阐述了应用于金属基复合材料的激光增材制造技术，包括选区激光烧结、选区激光熔化和激光金属沉积三种技术的工作原理，特征优势及局限等。基于对金属基复合材料制备过程中原料形态、基体材料和增强体等关键要素的特性分析，系统分析了激光增材制造技术在金属基复合材料成型加工工艺方面的研究进展，并对未来研究方向进行展望。

1、常用的激光增材制造技术

目前，金属零件增材制造原料形态以粉末和丝材为主[9]，粉末技术相较于丝材技术在激光增材制造中的应用更为成熟。本文阐述了以粉床铺粉为特征的激光粉末床熔融(包括选区激光烧结、选区激光熔化)和以同步送粉为特征的激光直接能量沉积三种工艺类型[10]。

1.1 选区激光烧结

选区激光烧结(selective laser sintering,SLS)是最早出现的金属增材制造技术，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Deckard于1989年在其硕士论文中提出[11-12]。选区激光烧结工作原理示意图[13]如图1(a)所示,该技术以预置于工作台上的粉末为原料，以高功率激光器为能量源，根据模型切片控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末形成零件的一个层面。随着工作台的下降和新粉末层的铺展，激光继续逐层烧结，直至完成整个三维物体的制造。选区激光烧结主要包括预热、成型及冷却三个阶段[14],典型温度曲线如图1(b)所示[15],其中 T S 为粉末初始温度， T B 为粉末床温度， T E 为室温。在预热阶段，粉体在成型区域被均匀铺展并预热至接近熔点的温度，为激光烧结创造理想条件以减少热变形。在成型阶段，高能激光束根据切片数据选择性地扫描粉末床，使粉末熔融并逐层粘结，构建出三维物体的每个截面。在冷却阶段，对烧结的三维制件进行冷却，以确保材料稳定性和制件尺寸精度，同时释放热应力防止变形。因未熔化的粉末可在烧结过程中起支撑作用，选区激光烧结具有自支撑性能，能够制造出具有复杂内部结构的零件[16]。

金属粉末的选区激光烧结可分为添加有机粘结剂的间接法和不添加任何有机粘结剂的直接法[13]，两种方法的优缺点如表1所示。在使用直接法对单组元金属粉末进行烧结时，粘度相对较高，“球化”效应较严重，往往需要进行后续处理，不是真正意义上的“直接烧结”。随着高功率激光器的发展，激光束已可以熔化大部分的金属材料，选区激光烧结已逐渐被选区激光熔化取代。

表1 SLS直接法与间接法对比

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

1.2 选区激光熔化

选区激光熔化(selective laser melting,SLM)是在选区激光烧结的基础上发展起来的一种粉末床熔融技术，由德国Fraunhofer激光研究所最早研究并提出[17-18]。选区激光熔化的成型过程与选区激光烧结基本一致。不同的是在选区激光熔化过程中金属粉末在高能量密度激光作用下发生完全熔化凝固成形而不是固态烧结，采用的冶金机制为完全熔化凝固成型机制。选区激光熔化装置一般由激光器、光路传输系统、铺粉系统和成型腔气体保护装置等组成[19]。图2(a)为选区激光熔化工作图[20],整个工作腔密闭于惰性气体环境中，能够避免金属材料在高温下氧化,可以处理钛合金等活跃金属,图2(b)为选区激光熔化过程中温度场图[21]。

与选区激光烧结相比，选区激光熔化成型的零件在尺寸精度和表面质量方面具有较大优势。其主要原因在于选区激光熔化过程中的激光束能量密度高、聚焦性能良好，能够快速将金属粉末加热至熔化温度，确保熔化过程的高精度和无损性，使得零件成型精度高且残存应力小。除此之外，激光扫描速度快,微小尺寸的熔池冷却速度极高,使得成型金属零件晶粒尺寸小，力学性能也优于其他方式[22]。激光光斑直径和热影响区小，可实现微小结构的精确制造。

选区激光熔化虽然在金属增材制造领域具有显著优势，但也存在以下局限:成型速度慢、材料吸收率低;设备稳定性和可重复性需提高、对工艺参数高度敏感、难以控制冶金缺陷(如球化现象、孔隙、残余应力和裂纹等);表面粗糙度较高,需要后续的表面处理来满足特定的应用要求。这些问题导致成型零件性能下降或难以可靠控制，限制了选区激光熔化在大规模生产加工中的应用。

1.3 激光金属沉积

激光金属沉积(laser metal deposition,LMD)的工作原理同选区激光熔化类似，同样是采用高能激光束，使金属粉末熔融或汽化并沉积到基板上，经冷却并固化最终成型三维零件。区别在于激光金属沉积过程中的粉末不是预置在工作平台上，而是通过送粉器与喷嘴，在激光扫描金属基板时，被实时送入基体表面的熔池中[23],如图3所示。在激光金属沉积过程中，可采用多个喷嘴同时沉积不同的材料，用于沉积的材料需要在惰性气体环境下熔化，以减少氧化和污染,保护沉积过程,提高沉积质量[24]。在制备金属基复合材料时，当需要向金属基体粉末中添加一种或多种增强剂，可以通过控制送粉器的流量精确调节不同的物料配比[25]。

与选区激光熔化相比，激光金属沉积技术成型效率高，能够制备包含中空结构和具有材料梯度功能的零件[26]。由于没有粉末床限制，激光金属沉积对成型件的尺寸在一定程度上没有限制，因此适合用来制造大尺寸金属结构件[27]。激光金属沉积在快速成形、难加工材料的沉积成形和零件性能提升方面体现出显著优势和发展潜能。该技术早在2000年美国国防部和海军研究院主导的“钛合金柔性制造”项目中就展现出其快速成形优势[28]。在零件性能提升方面，该技术可以通过在现有零件表面熔覆不同类型的材料，提高零件的防腐、耐磨、耐高温等性能。

激光金属沉积虽然在制造复杂金属零件方面具有显著优势，但受光斑直径、粉材粒度及层厚等因素的影响，激光金属沉积生产的零件通常具有较差的表面光洁度和较低的成型精度，通常需要热等静压、热处理等后处理工艺来提高零件性能。除此之外，激光金属沉积在能量利用效率方面低于其他工艺，操作过程中产生的金属粉末和烟尘对操作人员健康构成风险，设备相对复杂，技术门槛和维护成本较高。

2、金属基复合材料制备关键要素

2.1 粉末类型

在使用激光增材制造技术制备金属基复合材料过程中，原料形态以粉末态为主。气雾化粉末、机械混合粉末、球磨粉末和卫星粉末是4种常用的典型粉末类型[29-32],如图4所示,制备方法分别为气雾化制粉技术、机械混合、机械球磨和湿法造粒。气雾化金属粉末具有粒径细小、球形度高、氧含量低、成分均匀、固溶度高和环境污染小等优点[33],但价格较贵;机械混合粉末成本低，但增强体分布不均匀、流动性差;球磨粉末具有良好的界面粘结性,能够密封粉末中的孔隙，增强体的尺寸、分布和质量分数可控，但制备方法相对复杂，易引入杂质，颗粒形态容易发生改变;卫星粉末增强体分布均匀，但流动性差、界面粘结性差。原料形态能够显著影响复合材料的最终性能，由于机械混合粉末、球磨粉末和卫星粉末的球形度和流动性不如气雾化粉末，因此在制备高性能复合材料时应首先考虑气雾化粉末。

2.2 金属基粉末特性

金属基粉末作为激光增材制造过程中的主要原料,其粉末特性(如粒度分布、球形度、流动性等)对复合材料特性有重要影响。金属基粉末的粒度分布用于描述粉末中不同粒径颗粒的比例，影响颗粒的流动性和粉末床的最高堆积密度，进而影响复合材料的性能[34-36]。球形度表示颗粒形态接近球形的几何程度,球体形态有助于减少表面摩擦牵引力,提高流动性、扩散行为和填料密度[37]。粉末的流动性直接影响铺粉均匀性或送粉稳定性，进而影响复合粉的密度和功能属性。在预铺粉工艺如选区激光熔化中，一般要求选用粒度较小且粒径分布窄的金属粉末，而在送粉工艺如激光金属沉积中对粉末粒度具有相对较宽的适应性，粉末应用可从几十微米的细粉到数百微米。目前广泛应用的金属基粉末主要包括Al、Ni、Ti及其合金等，表2为几种典型的金属基粉末材料及其性能。

2.3 增强体

增强体作为复合材料中起强化作用的组分，是影响复合材料制备和性能的重要因素。复合材料中的增强体要求物理、化学相容性好，载荷承受能力强，与基体材料结合时的润湿性较好，尽量避免与基体合金之间产生界面反应等[42]。金属基复合材料增强体的选择应考虑多种因素，包括尺寸、形貌、热膨胀系数、弹性模量、晶体结构、润湿性和与金属基体的原位反应性等。

表2 典型的金属基粉末及其性能[38-41]

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

在使用非原位法制备金属基复合材料时，增强体的尺寸和形貌对其在复合材料中的分布起着至关重要的作用[43]。增强体与基体之间的热膨胀系数和弹性模量不匹配时，产生的几何必要位错能够提高复合材料的强度，但也会导致产生热应力和残余应力，进而产生裂纹或断裂。增强体的晶体结构决定其与金属基体之间的晶格失配程度，而晶格失配进一步促进凝固过程中熔体的异质形核，影响复合材料的微观结构和性能[44]。增强体与基体之间良好的润湿性有利于降低复合材料的制备难度，减少组织缺陷，提高界面强度。增强体按其几何形态可分为纤维、颗粒和晶须等，目前广泛应用于制备金属基复合粉末的增强体主要包括Al₂O₃、SiC、TiC、B₄C等,表3为几种典型的增强体粉末及其性能[41]。

表3 典型的增强体粉末及其性能[41]

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

3、激光增材制造金属基复合材料

3.1 铝基复合材料

铝基复合材料因具有高比强度、高比模量、低热膨胀系数和良好的耐磨性，已成为各工业部门常用的轻质材料[45-46]。传统的铝基复合材料制备方法如粉末冶金法和液相复合法等存在增强体分布不均、孔隙率高、界面结合不足等问题[47],激光增材制造技术的运用能够有效改善这些问题。但铝基材料由于密度低、激光吸收率低等特殊的物理性质，对于激光增材制造而言是典型的难加工材料。与纯铝相比,铝合金具有更好的综合性能，在制造铝基复合材料时较多使用各种铝合金，如AlSi10Mg、Al-12Si、Al-Cu等。目前，与铝基复合材料有关的激光增材制造技术研究和应用以选区激光熔化为主，常用的增强体主要有碳化物(如SiC、TiC)、氧化物(如Al₂O₃、TiO₂)、氮化物(如BN、Si₃N₄)等。

吴利芸等[48]研究了不同含量的石墨烯纳米片(GNPs)对激光选区熔化成形的GNPs/AlSi10Mg复合材料的微观组织、力学性能的影响，结果显示GNPs含量对材料性能影响显著。Xiao等[49]通过研究纳米TiB₂颗粒对选择性激光熔化加工的AlSi-10Mg合金微观结构各向异性的影响，发现添加纳米TiB₂颗粒能够显著细化晶粒、减弱晶体学织构，从而减少合金的各向异性，并提高其力学性能。Wang等[50]使用高能球磨法制备TiC/AlSi10Mg纳米复合粉末,经选区激光熔化加工的TiC/AlSi10Mg纳米复合材料的硬度和抗拉强度远高于未增强的AlSi10Mg部分。Cheng等[51]使用选区激光熔化技术加工(TiB₂+TiC)/AlSi10Mg复合粉末,并研究其微观组织和力学性能，发现其抗拉强度与延展性比未增强的AlSi10Mg粉末分别高40.3%和166.7%。与TiB₂/AlSi10Mg和 TiC/AlSi10Mg复合材料相比,(TiB₂+TiC)/AlSi10Mg复合材料具有更好的力学性能,拉伸强度高达552.4MPa,伸长率为12%,也显著高于以往报道的大多数单颗粒增强AlSi10Mg复合材料,这些结果表明杂化粒子增强优于单粒子增强。

在选区激光熔化过程中,粉末特征、激光功率、扫描速度等工艺参数也会影响铝基复合材料成型件的力学性能和微观结构[52]。Baitimerov等[53]通过研究粉末特性对选区激光熔化制备的AlSi12合金孔隙率和微观结构的影响，发现具有良好流动性的粉末有利于选区激光熔化成型。Gu等[54]通过研究纳米复合材料的致密化行为、微观结构特征和力学性能,发现激光功率和扫描速度是影响选区激光熔化加工铝基纳米复合材料致密化行为的主要因素，建立了工艺与性能之间的关系模型。Jiang等[55]通过研究选择性激光熔化工艺中扫描速度对碳纳米管增强AlSi10Mg复合材料微观结构和力学性能的影响，发现在1300mm/s的扫描速度下制备的复合材料展现出较高的相对密度、硬度和抗拉强度。

3.2 镍基复合材料

镍基复合材料因能够在一定温度下保持较高强度、抗腐蚀性、耐疲劳性、抗氧化性等优异性能，被广泛应用于航空航天发动机、火箭推进器以及燃气轮机等高温部件中[56]。图5为选区激光熔化成形的镍基高温合金发动机机匣,尺寸为∅576mm×200mm。利用激光增材制造技术来加工镍基复合材料，不仅能有效提升材料的加工效率，还能显著增强复合材料在高温环境下的服役性能和耐磨性能，实现镍基复合材料的近似净成形[57]。目前，激光增材制造技术已成功应用于制备Inconel625、Inconel718和镍基高温合金等。与铝基复合材料不同，选区激光熔化和激光金属沉积在镍基复合材料制备方面得到了广泛研究与应用。目前，用于制备镍基复合材料的增强体主要包括WC、TiC、SiC等。

在使用选区激光熔化技术加工镍基复合材料方面，李惠等[58]发现与Inconel718合金相比，添加0.5%和1%的TiC颗粒的Inconel718复合材料表面粗糙度变化不大，平均显微硬度、抗拉强度和屈服强度都明显提升，但孔隙数量随TiC的增加而增多。高永康等[59]使用机械球磨粉制备 WC/Inconel718复合材料,并对其内部异质界面连接机制、强化机制和断裂行为进行分析，发现WC颗粒含量在0wt%~20wt%时，试件成型良好，异质界面处无缺陷产生，在加工复合材料时,强化机制主要为载荷传递强化，断裂机制为WC颗粒的脆性断裂和基体合金的韧性断裂。Zhang等[60]通过分析选区激光熔化制造的Inconel625在热处理过程中的微观结构演变，发现均匀化热处理可有效减少元素偏析，消除δ相，使组织更均匀。Shi等[61]制备了0.5wt%纳米TiC颗粒增强的Inconel718基复合材料，并研究不同固溶处理温度(980、1100℃)及后续标准两步时效处理(先720℃保温8h,后620℃保温8h)对选区激光熔化制备的复合材料性能的影响。研究发现，纳米颗粒在未热处理和热处理条件下均能有效增强金属基体，在热处理过程中发生静态再结晶。在980℃固溶处理加时效的条件下,复合材料展现出1370MPa的抗拉强度，比未增强的Inconel718提高16%。

在使用激光金属沉积技术加工镍基复合材料方面,王舒等[57]通过分析TiC添加量对TiC/Inconel-625复合材料的影响，发现随着TiC添加量的增加，复合材料中枝晶间碳化物的数量增加，一次枝晶间距减小，硬度提升，抗磨损性能增强，但伸长率略有下降。Promakhov等[62]利用NiTi-TB₂和Inconel625混合粉末制备TiB₂/Inconel625复合材料,发现激光金属沉积可以在Inconel625中引入小于5wt%的NiTi-TB₂。Gu等[63]使用不同尺寸的TiC颗粒制备TiC/Inconel718复合材料，发现与微米TiC颗粒相比，加入纳米TiC颗粒可以形成细化的柱状枝晶，并具有发育良好的次生枝晶。因此，纳米TiC/Inconel718复合材料具有更好的硬度、抗拉强度和耐磨性，且不影响延展性。Zhang等[64]发现Inconel-718合金在完整的热处理过程中，会沉淀出约30nm尺寸的强化相γ"。经过完整热处理后，室温拉伸强度从953MPa提高到1334MPa,断裂方式为韧性断裂，断口表面呈现出带有断裂台阶的空洞形貌。高温力学性能的各向异性是由定向晶粒尺寸 d(Z) >  d(X) >  d(Y)、更高相对含量的(001)[110]织构导致。

3.3 钛基复合材料

钛基复合材料具有低密度、高比强度、出色的耐腐蚀性和良好的生物相容性等特性，被广泛应用于航空航天、武器装备、汽车工业以及生物医药等多个领域[65]。与镍基复合材料相同，钛基复合材料对选区激光熔化和激光金属沉积两类激光增材制造技术均表现出良好的适用性。Bartolomeu等[66]对铸造、热压和选区激光熔融三种不同技术加工的Ti6Al4V合金的微观结构和性能进行比较分析，发现通过选区激光熔融技术制造的Ti6Al4V合金展现出卓越的表面硬度和耐磨性能。由于碳纤维和碳化硅纤维等连续增强材料容易受到激光热源的破坏，激光增材制造钛基复合材料以非连续增强为主，如颗粒增强。高模量和高强度的碳化物、氧化物和硼化物,如TiC、SiC、Y₂O₃、TiB等，通常用作钛基复合材料中的增强体。

在使用激光增材制造技术制备钛基复合材料方面,除研究增强体、基体材料和工艺参数对钛基复合材料微观结构和力学性能的影响外，部分学者开始研究某一元素的影响。钦兰云等[67]通过分析B元素对TiB/Ti6Al4V复合材料显微组织和力学性能的影响,发现B元素的加入使得钛基复合材料的α相细化,TiB/Ti6Al4V复合材料的微观硬度、抗拉强度和屈服强度较传统Ti6Al4V合金显著提升。部分学者开始探索在选区激光熔化过程中引入反应气制备具有空间异质结构的钛基复合材料的方法。Xiao等[68]在含氮气的环境下通过原位合成制备具有梯度层状结构的TiN/Ti复合材料,通过在激光选区熔化过程中在层内或层之间注入不同浓度的N₂,通过激光原位化学反应合成具有TiN陶瓷相增强的刚性层,并通过刚性层(硬陶瓷相)-韧性层(软金属相)分布的梯度层状结构方法来强化合金性能。

4、结语与展望

激光增材制造技术已成功应用于高性能金属基复合材料的加工,并充分发挥其制造优势。本文综述了激光增材制造技术在金属基复合材料成形加工中的应用，包括技术原理、关键要素及研究进展，实现增强体的均匀分布是制备高性能金属基复合材料的关键。为制备性能优异、满足实际应用的金属基复合材料，需要综合考虑激光增材制造技术粉末加工的优缺点、原料状态对制备金属基复合材料的影响、基体和增强体的性能及相溶性等。

尽管激光增材制造技术在加工金属基复合材料方面展现出诸多优势，但仍面临一些挑战。在激光增材制造过程中容易产生如球化、孔隙和裂纹等冶金缺陷，这些缺陷会显著影响复合材料的性能。如何优化加工参数以控制冶金缺陷(如球化、孔隙和裂纹)，确保材料的均匀性和性能的可重复性，同时考虑原位反应和增强材料的特性是激光增材制造加工金属基复合材料面临的主要挑战。

激光增材制造技术在加工金属基复合材料上展现出巨大潜力,未来的研究需关注于以下几个方向:

(1)加工过程智能化控制。集成高精度监测系统实现对加工过程的实时监控，利用大数据分析和预测模型预测材料的最终性能，实现工艺参数的动态调整，优化质量控制。

(2)激光增材制造成本优化。激光增材制造成本主要包括材料成本、设备成本、时间成本等,成本优化需要综合考虑这些因素的影响。

(3)探索金属基复合材料的潜在应用。金属基异质材料的出现使航空航天、生物医疗、高端制造等苛刻服役环境突破当前局限、进一步发展成为可能。

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（注，原文标题：激光增材制造金属基复合材料工艺研究进展_郭成波）

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