金屬基復合材料(metal matrix composites,MMCs)以金屬或合金為基體,增強材料為第二相,通過將增強材料分散到基體材料中制備而成。按基體材料類型可分為鋁基、鎳基、鈦基、耐熱金屬基、金屬間化合物基等復合材料;按增強材料形態可分為連續纖維增強、非連續增強(如顆粒、晶須、短纖維)、層狀增強和自生增強等金屬基復合材料[2]。金屬基復合材料因具有低熱膨脹系數、高比強度、高比模量、耐極端溫度、耐磨損等優異的物理和力學性能,被廣泛應用于航空航天、汽車制造、電子器件等領域。然而,粉末冶金、攪拌鑄造、滲透等傳統方法不僅加工步驟繁瑣,而且難以制造滿足尺寸精度要求的復雜幾何形狀零件。近年來,增材制造技術的出現和快速發展為解決這一難題提供了新方案。增材制造技術(additive manufacturing,AM)是一種根據三維數字模型，逐層疊加材料，制造三維實體的技術。與減材制造的定向去除和等材制造的受迫成型相比，增材制造技術無需模具，不受零件復雜度影響，設計靈活度高，能夠有效降低生產成本、加速產品開發、提升產品性能、實現綠色制造，在航天航空、汽車、電子、醫療、軍工等領域應用廣泛。采用激光增材制造直接成形高熔點金屬基復合材料構件，是當前研究領域的一個熱門方向[3-4]。

目前，激光增材制造技術在材料應用方面已涵蓋鈦合金、鋁合金、高溫合金、難熔合金、非晶合金等，在制備金屬基復合粉末方面已展現出其獨特優勢。高能量密度的激光束能夠使金屬粉末迅速熔化并充分混合，從而確保復合材料的均勻性和致密性。精確控制激光束的掃描速度和能量密度等參數，可以實現對熔池組織、凝固行為的精確控制，進而獲得性能優異的復合材料構件[6-7]。此外，還可以根據實際需求，制造出具有不同組織、性能和形狀的復合材料構件，滿足航空航天、生物醫學、能源等領域對高性能、多功能材料的需求。例如，可以利用激光增材制造技術制造出具有高強度、高韌性和耐高溫特性的鈦合金、鎳基高溫合金等金屬基復合材料構件，用于發動機渦輪葉片、飛機起落架等關鍵部件的制造[8]。

激光增材制造技術在金屬基復合粉末中應用前景廣泛且意義深遠。本文詳細闡述了應用于金屬基復合材料的激光增材制造技術，包括選區激光燒結、選區激光熔化和激光金屬沉積三種技術的工作原理，特征優勢及局限等。基于對金屬基復合材料制備過程中原料形態、基體材料和增強體等關鍵要素的特性分析，系統分析了激光增材制造技術在金屬基復合材料成型加工工藝方面的研究進展，并對未來研究方向進行展望。

1、常用的激光增材制造技術

目前，金屬零件增材制造原料形態以粉末和絲材為主[9]，粉末技術相較于絲材技術在激光增材制造中的應用更為成熟。本文闡述了以粉床鋪粉為特征的激光粉末床熔融(包括選區激光燒結、選區激光熔化)和以同步送粉為特征的激光直接能量沉積三種工藝類型[10]。

1.1 選區激光燒結

選區激光燒結(selective laser sintering,SLS)是最早出現的金屬增材制造技術，由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Carl Deckard于1989年在其碩士論文中提出[11-12]。選區激光燒結工作原理示意圖[13]如圖1(a)所示,該技術以預置于工作臺上的粉末為原料，以高功率激光器為能量源，根據模型切片控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地燒結固體粉末形成零件的一個層面。隨著工作臺的下降和新粉末層的鋪展，激光繼續逐層燒結，直至完成整個三維物體的制造。選區激光燒結主要包括預熱、成型及冷卻三個階段[14],典型溫度曲線如圖1(b)所示[15],其中 T S 為粉末初始溫度， T B 為粉末床溫度， T E 為室溫。在預熱階段，粉體在成型區域被均勻鋪展并預熱至接近熔點的溫度，為激光燒結創造理想條件以減少熱變形。在成型階段，高能激光束根據切片數據選擇性地掃描粉末床，使粉末熔融并逐層粘結，構建出三維物體的每個截面。在冷卻階段，對燒結的三維制件進行冷卻，以確保材料穩定性和制件尺寸精度，同時釋放熱應力防止變形。因未熔化的粉末可在燒結過程中起支撐作用，選區激光燒結具有自支撐性能，能夠制造出具有復雜內部結構的零件[16]。

金屬粉末的選區激光燒結可分為添加有機粘結劑的間接法和不添加任何有機粘結劑的直接法[13]，兩種方法的優缺點如表1所示。在使用直接法對單組元金屬粉末進行燒結時，粘度相對較高，“球化”效應較嚴重，往往需要進行后續處理，不是真正意義上的“直接燒結”。隨著高功率激光器的發展，激光束已可以熔化大部分的金屬材料，選區激光燒結已逐漸被選區激光熔化取代。

表1 SLS直接法與間接法對比

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

1.2 選區激光熔化

選區激光熔化(selective laser melting,SLM)是在選區激光燒結的基礎上發展起來的一種粉末床熔融技術，由德國Fraunhofer激光研究所最早研究并提出[17-18]。選區激光熔化的成型過程與選區激光燒結基本一致。不同的是在選區激光熔化過程中金屬粉末在高能量密度激光作用下發生完全熔化凝固成形而不是固態燒結，采用的冶金機制為完全熔化凝固成型機制。選區激光熔化裝置一般由激光器、光路傳輸系統、鋪粉系統和成型腔氣體保護裝置等組成[19]。圖2(a)為選區激光熔化工作圖[20],整個工作腔密閉于惰性氣體環境中，能夠避免金屬材料在高溫下氧化,可以處理鈦合金等活躍金屬,圖2(b)為選區激光熔化過程中溫度場圖[21]。

與選區激光燒結相比，選區激光熔化成型的零件在尺寸精度和表面質量方面具有較大優勢。其主要原因在于選區激光熔化過程中的激光束能量密度高、聚焦性能良好，能夠快速將金屬粉末加熱至熔化溫度，確保熔化過程的高精度和無損性，使得零件成型精度高且殘存應力小。除此之外，激光掃描速度快,微小尺寸的熔池冷卻速度極高,使得成型金屬零件晶粒尺寸小，力學性能也優于其他方式[22]。激光光斑直徑和熱影響區小，可實現微小結構的精確制造。

選區激光熔化雖然在金屬增材制造領域具有顯著優勢，但也存在以下局限:成型速度慢、材料吸收率低;設備穩定性和可重復性需提高、對工藝參數高度敏感、難以控制冶金缺陷(如球化現象、孔隙、殘余應力和裂紋等);表面粗糙度較高,需要后續的表面處理來滿足特定的應用要求。這些問題導致成型零件性能下降或難以可靠控制，限制了選區激光熔化在大規模生產加工中的應用。

1.3 激光金屬沉積

激光金屬沉積(laser metal deposition,LMD)的工作原理同選區激光熔化類似，同樣是采用高能激光束，使金屬粉末熔融或汽化并沉積到基板上，經冷卻并固化最終成型三維零件。區別在于激光金屬沉積過程中的粉末不是預置在工作平臺上，而是通過送粉器與噴嘴，在激光掃描金屬基板時，被實時送入基體表面的熔池中[23],如圖3所示。在激光金屬沉積過程中，可采用多個噴嘴同時沉積不同的材料，用于沉積的材料需要在惰性氣體環境下熔化，以減少氧化和污染,保護沉積過程,提高沉積質量[24]。在制備金屬基復合材料時，當需要向金屬基體粉末中添加一種或多種增強劑，可以通過控制送粉器的流量精確調節不同的物料配比[25]。

與選區激光熔化相比，激光金屬沉積技術成型效率高，能夠制備包含中空結構和具有材料梯度功能的零件[26]。由于沒有粉末床限制，激光金屬沉積對成型件的尺寸在一定程度上沒有限制，因此適合用來制造大尺寸金屬結構件[27]。激光金屬沉積在快速成形、難加工材料的沉積成形和零件性能提升方面體現出顯著優勢和發展潛能。該技術早在2000年美國國防部和海軍研究院主導的“鈦合金柔性制造”項目中就展現出其快速成形優勢[28]。在零件性能提升方面，該技術可以通過在現有零件表面熔覆不同類型的材料，提高零件的防腐、耐磨、耐高溫等性能。

激光金屬沉積雖然在制造復雜金屬零件方面具有顯著優勢，但受光斑直徑、粉材粒度及層厚等因素的影響，激光金屬沉積生產的零件通常具有較差的表面光潔度和較低的成型精度，通常需要熱等靜壓、熱處理等后處理工藝來提高零件性能。除此之外，激光金屬沉積在能量利用效率方面低于其他工藝，操作過程中產生的金屬粉末和煙塵對操作人員健康構成風險，設備相對復雜，技術門檻和維護成本較高。

2、金屬基復合材料制備關鍵要素

2.1 粉末類型

在使用激光增材制造技術制備金屬基復合材料過程中，原料形態以粉末態為主。氣霧化粉末、機械混合粉末、球磨粉末和衛星粉末是4種常用的典型粉末類型[29-32],如圖4所示,制備方法分別為氣霧化制粉技術、機械混合、機械球磨和濕法造粒。氣霧化金屬粉末具有粒徑細小、球形度高、氧含量低、成分均勻、固溶度高和環境污染小等優點[33],但價格較貴;機械混合粉末成本低，但增強體分布不均勻、流動性差;球磨粉末具有良好的界面粘結性,能夠密封粉末中的孔隙，增強體的尺寸、分布和質量分數可控，但制備方法相對復雜，易引入雜質，顆粒形態容易發生改變;衛星粉末增強體分布均勻，但流動性差、界面粘結性差。原料形態能夠顯著影響復合材料的最終性能，由于機械混合粉末、球磨粉末和衛星粉末的球形度和流動性不如氣霧化粉末，因此在制備高性能復合材料時應首先考慮氣霧化粉末。

2.2 金屬基粉末特性

金屬基粉末作為激光增材制造過程中的主要原料,其粉末特性(如粒度分布、球形度、流動性等)對復合材料特性有重要影響。金屬基粉末的粒度分布用于描述粉末中不同粒徑顆粒的比例，影響顆粒的流動性和粉末床的最高堆積密度，進而影響復合材料的性能[34-36]。球形度表示顆粒形態接近球形的幾何程度,球體形態有助于減少表面摩擦牽引力,提高流動性、擴散行為和填料密度[37]。粉末的流動性直接影響鋪粉均勻性或送粉穩定性，進而影響復合粉的密度和功能屬性。在預鋪粉工藝如選區激光熔化中，一般要求選用粒度較小且粒徑分布窄的金屬粉末，而在送粉工藝如激光金屬沉積中對粉末粒度具有相對較寬的適應性，粉末應用可從幾十微米的細粉到數百微米。目前廣泛應用的金屬基粉末主要包括Al、Ni、Ti及其合金等，表2為幾種典型的金屬基粉末材料及其性能。

2.3 增強體

增強體作為復合材料中起強化作用的組分，是影響復合材料制備和性能的重要因素。復合材料中的增強體要求物理、化學相容性好，載荷承受能力強，與基體材料結合時的潤濕性較好，盡量避免與基體合金之間產生界面反應等[42]。金屬基復合材料增強體的選擇應考慮多種因素，包括尺寸、形貌、熱膨脹系數、彈性模量、晶體結構、潤濕性和與金屬基體的原位反應性等。

表2 典型的金屬基粉末及其性能[38-41]

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

在使用非原位法制備金屬基復合材料時，增強體的尺寸和形貌對其在復合材料中的分布起著至關重要的作用[43]。增強體與基體之間的熱膨脹系數和彈性模量不匹配時，產生的幾何必要位錯能夠提高復合材料的強度，但也會導致產生熱應力和殘余應力，進而產生裂紋或斷裂。增強體的晶體結構決定其與金屬基體之間的晶格失配程度，而晶格失配進一步促進凝固過程中熔體的異質形核，影響復合材料的微觀結構和性能[44]。增強體與基體之間良好的潤濕性有利于降低復合材料的制備難度，減少組織缺陷，提高界面強度。增強體按其幾何形態可分為纖維、顆粒和晶須等，目前廣泛應用于制備金屬基復合粉末的增強體主要包括Al?O?、SiC、TiC、B?C等,表3為幾種典型的增強體粉末及其性能[41]。

表3 典型的增強體粉末及其性能[41]

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

3、激光增材制造金屬基復合材料

3.1 鋁基復合材料

鋁基復合材料因具有高比強度、高比模量、低熱膨脹系數和良好的耐磨性，已成為各工業部門常用的輕質材料[45-46]。傳統的鋁基復合材料制備方法如粉末冶金法和液相復合法等存在增強體分布不均、孔隙率高、界面結合不足等問題[47],激光增材制造技術的運用能夠有效改善這些問題。但鋁基材料由于密度低、激光吸收率低等特殊的物理性質，對于激光增材制造而言是典型的難加工材料。與純鋁相比,鋁合金具有更好的綜合性能，在制造鋁基復合材料時較多使用各種鋁合金，如AlSi10Mg、Al-12Si、Al-Cu等。目前，與鋁基復合材料有關的激光增材制造技術研究和應用以選區激光熔化為主，常用的增強體主要有碳化物(如SiC、TiC)、氧化物(如Al?O?、TiO?)、氮化物(如BN、Si?N?)等。

吳利蕓等[48]研究了不同含量的石墨烯納米片(GNPs)對激光選區熔化成形的GNPs/AlSi10Mg復合材料的微觀組織、力學性能的影響，結果顯示GNPs含量對材料性能影響顯著。Xiao等[49]通過研究納米TiB?顆粒對選擇性激光熔化加工的AlSi-10Mg合金微觀結構各向異性的影響，發現添加納米TiB?顆粒能夠顯著細化晶粒、減弱晶體學織構，從而減少合金的各向異性，并提高其力學性能。Wang等[50]使用高能球磨法制備TiC/AlSi10Mg納米復合粉末,經選區激光熔化加工的TiC/AlSi10Mg納米復合材料的硬度和抗拉強度遠高于未增強的AlSi10Mg部分。Cheng等[51]使用選區激光熔化技術加工(TiB?+TiC)/AlSi10Mg復合粉末,并研究其微觀組織和力學性能，發現其抗拉強度與延展性比未增強的AlSi10Mg粉末分別高40.3%和166.7%。與TiB?/AlSi10Mg和 TiC/AlSi10Mg復合材料相比,(TiB?+TiC)/AlSi10Mg復合材料具有更好的力學性能,拉伸強度高達552.4MPa,伸長率為12%,也顯著高于以往報道的大多數單顆粒增強AlSi10Mg復合材料,這些結果表明雜化粒子增強優于單粒子增強。

在選區激光熔化過程中,粉末特征、激光功率、掃描速度等工藝參數也會影響鋁基復合材料成型件的力學性能和微觀結構[52]。Baitimerov等[53]通過研究粉末特性對選區激光熔化制備的AlSi12合金孔隙率和微觀結構的影響，發現具有良好流動性的粉末有利于選區激光熔化成型。Gu等[54]通過研究納米復合材料的致密化行為、微觀結構特征和力學性能,發現激光功率和掃描速度是影響選區激光熔化加工鋁基納米復合材料致密化行為的主要因素，建立了工藝與性能之間的關系模型。Jiang等[55]通過研究選擇性激光熔化工藝中掃描速度對碳納米管增強AlSi10Mg復合材料微觀結構和力學性能的影響，發現在1300mm/s的掃描速度下制備的復合材料展現出較高的相對密度、硬度和抗拉強度。

3.2 鎳基復合材料

鎳基復合材料因能夠在一定溫度下保持較高強度、抗腐蝕性、耐疲勞性、抗氧化性等優異性能，被廣泛應用于航空航天發動機、火箭推進器以及燃氣輪機等高溫部件中[56]。圖5為選區激光熔化成形的鎳基高溫合金發動機機匣,尺寸為?576mm×200mm。利用激光增材制造技術來加工鎳基復合材料，不僅能有效提升材料的加工效率，還能顯著增強復合材料在高溫環境下的服役性能和耐磨性能，實現鎳基復合材料的近似凈成形[57]。目前，激光增材制造技術已成功應用于制備Inconel625、Inconel718和鎳基高溫合金等。與鋁基復合材料不同，選區激光熔化和激光金屬沉積在鎳基復合材料制備方面得到了廣泛研究與應用。目前，用于制備鎳基復合材料的增強體主要包括WC、TiC、SiC等。

在使用選區激光熔化技術加工鎳基復合材料方面，李惠等[58]發現與Inconel718合金相比，添加0.5%和1%的TiC顆粒的Inconel718復合材料表面粗糙度變化不大，平均顯微硬度、抗拉強度和屈服強度都明顯提升，但孔隙數量隨TiC的增加而增多。高永康等[59]使用機械球磨粉制備 WC/Inconel718復合材料,并對其內部異質界面連接機制、強化機制和斷裂行為進行分析，發現WC顆粒含量在0wt%~20wt%時，試件成型良好，異質界面處無缺陷產生，在加工復合材料時,強化機制主要為載荷傳遞強化，斷裂機制為WC顆粒的脆性斷裂和基體合金的韌性斷裂。Zhang等[60]通過分析選區激光熔化制造的Inconel625在熱處理過程中的微觀結構演變，發現均勻化熱處理可有效減少元素偏析，消除δ相，使組織更均勻。Shi等[61]制備了0.5wt%納米TiC顆粒增強的Inconel718基復合材料，并研究不同固溶處理溫度(980、1100℃)及后續標準兩步時效處理(先720℃保溫8h,后620℃保溫8h)對選區激光熔化制備的復合材料性能的影響。研究發現，納米顆粒在未熱處理和熱處理條件下均能有效增強金屬基體，在熱處理過程中發生靜態再結晶。在980℃固溶處理加時效的條件下,復合材料展現出1370MPa的抗拉強度，比未增強的Inconel718提高16%。

在使用激光金屬沉積技術加工鎳基復合材料方面,王舒等[57]通過分析TiC添加量對TiC/Inconel-625復合材料的影響，發現隨著TiC添加量的增加，復合材料中枝晶間碳化物的數量增加，一次枝晶間距減小，硬度提升，抗磨損性能增強，但伸長率略有下降。Promakhov等[62]利用NiTi-TB?和Inconel625混合粉末制備TiB?/Inconel625復合材料,發現激光金屬沉積可以在Inconel625中引入小于5wt%的NiTi-TB?。Gu等[63]使用不同尺寸的TiC顆粒制備TiC/Inconel718復合材料，發現與微米TiC顆粒相比，加入納米TiC顆粒可以形成細化的柱狀枝晶，并具有發育良好的次生枝晶。因此，納米TiC/Inconel718復合材料具有更好的硬度、抗拉強度和耐磨性，且不影響延展性。Zhang等[64]發現Inconel-718合金在完整的熱處理過程中，會沉淀出約30nm尺寸的強化相γ"。經過完整熱處理后，室溫拉伸強度從953MPa提高到1334MPa,斷裂方式為韌性斷裂，斷口表面呈現出帶有斷裂臺階的空洞形貌。高溫力學性能的各向異性是由定向晶粒尺寸 d(Z) >  d(X) >  d(Y)、更高相對含量的(001)[110]織構導致。

3.3 鈦基復合材料

鈦基復合材料具有低密度、高比強度、出色的耐腐蝕性和良好的生物相容性等特性，被廣泛應用于航空航天、武器裝備、汽車工業以及生物醫藥等多個領域[65]。與鎳基復合材料相同，鈦基復合材料對選區激光熔化和激光金屬沉積兩類激光增材制造技術均表現出良好的適用性。Bartolomeu等[66]對鑄造、熱壓和選區激光熔融三種不同技術加工的Ti6Al4V合金的微觀結構和性能進行比較分析，發現通過選區激光熔融技術制造的Ti6Al4V合金展現出卓越的表面硬度和耐磨性能。由于碳纖維和碳化硅纖維等連續增強材料容易受到激光熱源的破壞，激光增材制造鈦基復合材料以非連續增強為主，如顆粒增強。高模量和高強度的碳化物、氧化物和硼化物,如TiC、SiC、Y?O?、TiB等，通常用作鈦基復合材料中的增強體。

在使用激光增材制造技術制備鈦基復合材料方面,除研究增強體、基體材料和工藝參數對鈦基復合材料微觀結構和力學性能的影響外，部分學者開始研究某一元素的影響。欽蘭云等[67]通過分析B元素對TiB/Ti6Al4V復合材料顯微組織和力學性能的影響,發現B元素的加入使得鈦基復合材料的α相細化,TiB/Ti6Al4V復合材料的微觀硬度、抗拉強度和屈服強度較傳統Ti6Al4V合金顯著提升。部分學者開始探索在選區激光熔化過程中引入反應氣制備具有空間異質結構的鈦基復合材料的方法。Xiao等[68]在含氮氣的環境下通過原位合成制備具有梯度層狀結構的TiN/Ti復合材料,通過在激光選區熔化過程中在層內或層之間注入不同濃度的N?,通過激光原位化學反應合成具有TiN陶瓷相增強的剛性層,并通過剛性層(硬陶瓷相)-韌性層(軟金屬相)分布的梯度層狀結構方法來強化合金性能。

4、結語與展望

激光增材制造技術已成功應用于高性能金屬基復合材料的加工,并充分發揮其制造優勢。本文綜述了激光增材制造技術在金屬基復合材料成形加工中的應用，包括技術原理、關鍵要素及研究進展，實現增強體的均勻分布是制備高性能金屬基復合材料的關鍵。為制備性能優異、滿足實際應用的金屬基復合材料，需要綜合考慮激光增材制造技術粉末加工的優缺點、原料狀態對制備金屬基復合材料的影響、基體和增強體的性能及相溶性等。

盡管激光增材制造技術在加工金屬基復合材料方面展現出諸多優勢，但仍面臨一些挑戰。在激光增材制造過程中容易產生如球化、孔隙和裂紋等冶金缺陷，這些缺陷會顯著影響復合材料的性能。如何優化加工參數以控制冶金缺陷(如球化、孔隙和裂紋)，確保材料的均勻性和性能的可重復性，同時考慮原位反應和增強材料的特性是激光增材制造加工金屬基復合材料面臨的主要挑戰。

激光增材制造技術在加工金屬基復合材料上展現出巨大潛力,未來的研究需關注于以下幾個方向:

(1)加工過程智能化控制。集成高精度監測系統實現對加工過程的實時監控，利用大數據分析和預測模型預測材料的最終性能，實現工藝參數的動態調整，優化質量控制。

(2)激光增材制造成本優化。激光增材制造成本主要包括材料成本、設備成本、時間成本等,成本優化需要綜合考慮這些因素的影響。

(3)探索金屬基復合材料的潛在應用。金屬基異質材料的出現使航空航天、生物醫療、高端制造等苛刻服役環境突破當前局限、進一步發展成為可能。

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（注，原文標題：激光增材制造金屬基復合材料工藝研究進展_郭成波）

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