浙江工业大学 l 金属基复合材料增材制造工艺研究进展与趋势

金属基复合材料在航空航天等领域具有广泛的应用前景，但其实际应用与工业生产受限于传统制备工艺的维型难度、操作复杂性和生产成本，增材制造则是针对此类问题的高效解决方案。

本期谷·专栏所分享的论文详细阐述了激光增材制造（激光选区熔融、激光直接沉积、激光熔丝增材制造）、电弧和电子束增材制造（电弧熔丝、电子束选区熔融、电子束熔丝沉积）、连续纤维增强金属基复合材料的增材制造等工艺的原理及研究进展，通过具体案例如SiCp增强Al合金、TiBp或TiCp增强Ti合金、连续碳纤维增强Mg合金、颗粒增强高熵合金、异质金属层状结构等复合材料的制备及其力学性能的表征，展示了增材制造在高效制备高性能金属基复合材料方面的显著优势。最后，展望了该研究领域为实现工业化生产及应用的进一步研究方向。

http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20250315（阅读原文）

撰稿人：冻瑞岚

论文题目：金属基复合材料增材制造工艺研究进展与趋势

作者：姜永亮1, 冻瑞岚1, 宋祥1, 李阳1, 李晨龙1, 陈广宇1, 陈国达2,3,*

完成单位：武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司，浙江工业大学机械工程学院，浙江工业大学全省高精高效复合加工技术与装备重点实验室

图1 增材制造金属基复合材料：工艺的步骤与分类、机械性能、应用需求、未来研究方向

研究背景

金属基复合材料自20世纪50年代提出以来，通过引入陶瓷颗粒、短切/连续纤维等增强相显著提升了金属的强度、模量及耐高温性能，广泛应用于航空航天领域（Ti基发动机部件、SiC增强卫星罐体等，如图2所示）。传统制备工艺依赖高温高压技术，存在成本高、周期长、复杂结构成型难等问题。

图2 金属基复合材料在航空航天领域的应用实例。(a) Ti基复合材料；(b) SiC纤维增强Ti基复合材料；(c) SiC增强Al基复合材料；(d) SiC颗粒增强Al基复合材料

金属增材制造技术通过逐层堆积实现复杂构件一体化成形，为MMC工业化生产提供新路径。其优势包括：（1）工艺兼容性好：支持多材料复合（如SiC/Al、TiB/Ti等），通过快速凝固细化晶粒，提升强韧性；（2）复杂结构制造：可成形薄壁、随形流道等传统工艺难以实现的几何特征；（3）成本效益好：材料利用率高（>90%），适合小批量定制化生产。其典型工艺包括：激光增材制造、电弧和电子束增材制造以及其他增材制造工艺（针对连续纤维增强复合材料的增材制造工艺）。增材制造正加速推动金属基复合材料从实验室走向航空航天主承力件，成为高强轻质材料工程化的关键突破口。

主要内容

激光增材制造技术是指将激光作为金属熔融热源的增材制造工艺，主要可分为三种，如图3所示：（a）和（b）激光选区熔融、（c）和（d）激光直接沉积、（e）和（f）激光熔丝沉积；前两种工艺的原料形式均为粉末，但在粉末提供形式上有所区别，激光选区熔融在粉末床上进行成型，激光直接沉积通过同步将粉末输送至基板上成型；激光熔丝沉积则采用丝材作为原料，同步输送丝材至基板上成型。

图3 激光增材制造工艺。(a) SLM设备及其工作原理；(b) SLM成型过程中激光对物质的作用；(c) LDED设备及其工作原理；(d) LDED成型过程中激光对物质的作用；(e) ~ (i) WLAM技术原理图：(e)同轴送丝，(f)旁轴送丝，(g)旁轴送丝的熔融和结晶形式，(h)、(i)同轴送丝的熔融和结晶形式（稳定液桥模式、稳定穿线模式）

SLM以高精度复杂结构成型见长，可制备传统锻造、铸造难以实现的拓扑优化部件（如航空发动机叶片、点阵散热器），直接成型省去装配环节，适配轻量化功能集成设计；同时通过粉末预混或原位合成，实现纳米颗粒、短切纤维均匀分布，突破粉末冶金增强相受限、搅拌铸造易沉降的瓶颈。但其面临快速凝固导致的界面脆性相（如Al₄C₃）、残余应力裂纹、后处理晶粒粗化及高成本挑战。对策包括界面改性（原位合成共格界面、粉末包覆）、基板预热/分段打印降应力、优化热处理参数，以及粉末回收、多激光协同降本，使其成为小批量高性能定制件主流。LDED以高效大型件制造为核心优势，沉积速率远超传统工艺，支持多轴联动复杂曲面成型与局部修复（如涡轮叶片），还能直接沉积梯度材料；快速凝固抑制增强相偏聚，通过参数调控实现纳米级增强相原位合成。但存在界面结合不良、孔隙缺陷、增强相偏聚及表面粗糙问题。通过界面改性、红外热像仪实时监测熔池动态调整参数、优化球磨或添加微合金元素减偏聚，结合机加工提升精度，使其在大型修复与梯度材料制造中不可替代。

WLAM聚焦微重力适应性与经济性，丝材替代粉末避免太空飘散风险，激光热源稳定适合原位制造；丝材成本低、利用率超95%，可成型大型件（如火箭燃料箱），致密度优于粉末工艺，还能通过多丝送进沉积功能梯度材料。挑战包括高反材料效率低、高熔点增强相难熔、增强相偏析及精度限制。预熔液态填充技术提升铝合金沉积速率，包芯线/复合热源改善高熔点复合，电磁搅拌/超声振动扰熔池减偏析，混合增减材制造提精度，使其在太空与大尺寸经济制造中潜力巨大。

电弧熔丝增材制造（WAAM）的工艺原理如图4所示，主要设备组成为产生电弧热源的焊枪、丝材收集和输送系统、保护气氛存储和输送系统、数控系统。而与WLAM技术相似，WAAM制备金属基复合材料时通常采用丝粉同步送料。与SLM、WLAM相比，电子束选区熔融（EBSM）与电子束熔丝沉积（EBSFF）均以被高速发射并聚焦的电子束为加热源，且需要保持高真空度以确保电子束的稳定性和沉积质量，电子束熔丝沉积技术示意图如图5所示。

图4 WAAM技术原理

图5 电子束熔丝沉积技术示意图

WAAM以高效低成本为核心竞争力。其沉积速率与生产能耗远超粉末冶金、挤压铸造等传统工艺，无需模具限制即可实现十米级大型结构件快速成形，丝材成本低且支持梯度功能材料直接沉积。结合熔池监控与机器人路径规划，WAAM能动态调整电流、送丝速度，适应复杂工况下的局部修复，优于传统扩散连接的高温高压静态环境。但工艺难点在于电弧热源可控性差，熔池对流易导致增强相分布不均（高密度颗粒下沉、低密度上浮），需通过电弧触发原位反应生成均匀增强体，或引入多能场协同调控熔池流动；多层沉积热累积易形成柱状晶与高残余应力，引发变形开裂，研究表明17.5kHz超高频脉冲电弧配合硼颗粒可细化晶粒、削弱织构。此外，WAAM单道熔宽大、表面粗糙，需机加工或混合增减材制造提升精度，其高效低成本优势使其在大型构件制造与修复中极具工业潜力。EBSM/EBSFF则聚焦高熔点与活性材料复合难题。真空环境避免氧化，解决粉末冶金、熔渗法等传统工艺的污染与渗透不均问题，尤其适合钛、铌等活性金属复合材料；电子束无反射特性适配高反射材料（如铝基），能量密度高可熔化钨、钼等难熔金属及碳化钽、碳化铪等陶瓷增强相，制备超高温复合材料与无气孔厚壁件。但真空环境下电子束轰击易引发粉末溅射污染，需预热粉末或激光辅助增强结合力；原位合成时扫描策略影响反应，却因真空限制缺乏实时监控，可借机器学习建参数-性能映射关系优化。设备成本高、实时调控弱于激光，多电子束协同分区域控热或成破局关键，其在超高温、微重力场景的应用前景广阔。

除激光、电弧、电子束等高能热源工艺外，低熔点金属增材制造可采用电阻加热等简易工艺。金属熔融三维直写技术设备简单、成本低，适用于连续纤维增强金属基复合材料，如图6所示：金属线材与连续纤维经送丝机构送至加热单元，金属熔融后包裹纤维并沉积于基板，实现原位复合。黏结剂喷射（BJ）技术成型快、可制复杂外观且原料浪费少。其原理是将金属+增强相粉末铺于床面，喷头按路径喷射粘结剂，经钨灯辐照加热使粘结剂固化连接粉末成粗坯，后续需烧结或热等静压致密化以提升力学性能。两类工艺为低熔点金属及特定复合材料增材制造提供了补充路径。

图6 直写成形连续纤维增强金属基复合材料

图7 黏结剂喷射技术成型复合材料的工艺原理

BJ工艺的核心难点在于三方面：一是金属粉末适配性不足，其对流动性、粒径分布要求严苛，高熔点（钨、钼）或活性金属（镁、钛）粉末易氧化团聚，导致喷射不均；二是黏结剂矛盾突出，传统黏结剂脱脂易碳残留污染界面，水基黏结剂虽环保却干燥收缩率高引发变形；三是粗坯密度低于熔融类技术（如SLM），力学性能受限，且后处理收缩变形易致翘曲开裂。针对这些问题，可从原材料创新突破：设计核-壳结构粉末，在增强相表面包覆金属层，改善润湿性与团聚，减少烧结孔隙与成分梯度；后处理上，采用分阶段控温脱脂缓减应力，或通过加湿延缓水基黏结剂蒸发，降低层间位移变形，以提升成型质量。

研究前景与展望

图8 增材制造金属基复合材料：其拉伸强度与传统工艺制造方法的对比

如图8所示，当前增材制造金属基复合材料中能够引入的增强相含量一般不超过12 wt%，大多集中在1 wt%~5 wt%，而极限拉伸强度一般不超过800 MPa，这是因为目前的增材制造工艺未能适应于增强相含量较多的连续纤维增强复合材料；而传统工艺制备金属基复合材料能够较灵活将增强相含量控制在1 wt%~20 wt%，增强相类型受限较小，极限拉伸强度能根据应用需求在600~1200 MPa内实现。因此，金属基复合材料的增材制造仍不能灵活适用于各类型增强相，增强相的引入方式与含量调控受限是该类技术的本质缺陷，未来的研究需关注以下几个方面。

（1）在原料的预加工、制件的后处理方面开展广泛的实验研究：例如，调控增强相颗粒的微观形貌以改善与金属粉末之间的润湿性和流动性，将增强相颗粒与金属粉末混合造粒预制复合粉末结构以改善成型制件内的均匀性、减少残余应力的分布；制备增强相与金属基体复合的线材结构，开发先对增强相增材制造成型、再在粗坯上制备金属基体的结合工艺；这些有助于提高增强相在金属基体内的含量与均匀分布。

（2）推进软件仿真与工艺开发、优化的结合：预测增强相颗粒在复合材料中的分布方式、成分含量、界面结合、副产物生成等微观演变情况，从而掌握用增材制造工艺引入增强相对复合材料的作用机理，高效协调工艺参数与力学性能提升之间的关系，从而减少或避免微孔和裂纹缺陷、使增强相均匀分布、减少有害副产物的形成。

（3）基于现有工艺衍生、开发针对连续纤维增强金属基复合材料的增材制造技术：现阶段该类技术鲜有报道、种类极少，但该类材料与其他形态增强相复合材料相比，在力学性能上的表现卓越，为高性能功能-结构一体化构件极具潜力的发展对象，应重点关注工艺创新方面，例如多材料协同沉积技术，同步送丝/送粉或纤维铺设，开发能同时输送金属基体材料（如铝、钛合金粉末或丝材）和连续纤维（如碳纤维、SiC纤维）的打印头；以及对于高温易损伤纤维，需开发低温/非热熔融增材工艺，例如通过超声波振动实现金属与纤维的固相键合，避免高温熔融对纤维的破坏。

（4）融合人工智能技术实现增材过程的智能调控与性能精准预测：通过机器学习算法（如神经网络、随机森林等）可对大量工艺参数（如激光功率、扫描速度、送粉速率、温度场分布）、增强相特征（种类、含量、形貌、分布）与复合材料的最终性能（力学性能、耐磨性、耐腐蚀性、高温稳定性等）之间的复杂非线性关系进行深度关联和建模；通过收集和分析不同工艺条件下制备的金属基复合材料的多源数据（实验数据、仿真数据等），构建智能预测模型，实现对增强相分布均匀性、微观组织演变、缺陷形成以及宏观性能的精准预测；利用人工智能算法对工艺参数进行自动优化和实时调整，快速找到最优工艺组合，提高增材制造复合材料的性能稳定性、一致性，加速材料的研发进程、节省人力成本。

文章信息

姜永亮, 冻瑞岚, 宋祥, 等. 金属基复合材料增材制造工艺研究进展与趋势[J]．红外与激光工程, 2025, 54(11): 20250315.

通讯作者简介

陈国达（本文通讯作者），浙江工业大学机械电子工程研究所副所长，博士生导师。2015年哈尔滨工业大学精密工程研究所博士毕业（美国西北大学联合培养），曾在浙江大学、新加坡国立大学进行博士后和访问研究，入选浙江省科协育才工程（培育期满考核优秀）以及浙江工业大学“十四五”高层次人才培育计划。长期从事超精密加工工艺与装备、激光金属增材制造等方面的研究，近年来主持包括GF某重大项目课题、国家自然科学基金（面上、青年）、浙江省自然科学基金项目（重点、一般、青年）、重大横向项目等在内的科研项目10余项。与武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司等国内多个重要单位开展了深入的科研合作。

已发表学术论文85篇（含SCI期刊论文49篇），获授权发明专利43件、软件著作权3件。现任中国机械工程学会生产工程分会（机床领域）委员，中国光学工程学会先进光学制造青年专家委员会委员，中国振动工程学会机械动力学专业委员会委员，国家自然科学基金、广东省基金等多个地方科技计划项目评审专家，浙江省青年高层次人才协会工业母机专题工作咨询专家等，并任国际SCI期刊Shock and Vibration编委和国际期刊Additive Manufacturing Frontiers青年编委。曾获《机械工程学报》第四届高影响力论文奖。

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