澳大利亞昆士蘭大學(xué)張明星教授團(tuán)隊(duì)在Journal of Materials Science & Technology 期刊發(fā)表了綜述文章“Recent progress in additive manufacturing of bulk MAX phase components: A review” 。

該文章系統(tǒng)概述了MAX相部件增材制造（AM）的研究現(xiàn)狀。以典型增材制造技術(shù)為例，重點(diǎn)討論了制造工藝、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的內(nèi)在關(guān)系；提出了當(dāng)前MAX相部件增材制造中的各類問題；概括了用于進(jìn)一步提高增材制造制造MAX相部件性能的相關(guān)技術(shù)；最后指出了MAX相部件增材制造所面臨的挑戰(zhàn)和前景。本期將分享該綜述文章的主要內(nèi)容。

DOI：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.05.026

 背景介紹

       MAX相本質(zhì)上是具有六方對(duì)稱晶體結(jié)構(gòu)的層狀碳化物或氮化物，形式為Mn+1AXn，其中M為早期過渡金屬，A為A族元素，X為碳或氮，n = 1~6。這一系列材料由于其結(jié)合了金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)而在航空航天、國(guó)防和核工業(yè)中得到了越來越多的關(guān)注。這歸因于它們獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，由金屬層交錯(cuò)的共價(jià)層堆疊而成。它們既可以像金屬那樣導(dǎo)電和導(dǎo)熱，可加工，具有合理的損傷容忍度；也可以像陶瓷那樣具有高剛度、良好的耐腐蝕性和高溫下的高抗氧化性。

      塊體MAX相部件通常通過粉末燒結(jié)工藝生產(chǎn)。這包括直接燒結(jié)商業(yè)MAX相粉末或高溫?zé)�結(jié)M/A/X、M/AX/X和M/A/MX粉末混合物。燒結(jié)技術(shù)包括熱壓(HP)、熱等靜壓(HIP)、火花等離子燒結(jié)(SPS，又稱脈沖放電燒結(jié)(PDS))、機(jī)械合金化(MA)和自蔓延高溫合成(SHS)。

       除了傳統(tǒng)的燒結(jié)技術(shù)外，最近研究采用了增材制造(AM)技術(shù)，如粘結(jié)劑噴射，直墨書寫(材料擠壓AM技術(shù))和薄板層壓，以合成MAX相。與粉末固體燒結(jié)技術(shù)不同，增材制造允許直接制造難以加工的具有高幾何復(fù)雜性的MAX相。例如，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中具有復(fù)雜特征的部件(如葉片、轉(zhuǎn)子和噴嘴)，甚至具有多孔結(jié)構(gòu)的部件等。另一方面，增材制造作為一種先進(jìn)的高附加值、小批量制造技術(shù)，更適合于制造產(chǎn)品定制化程度較高的高附加值零部件。在制造先進(jìn)的、高附加值的MAX相中采用增材制造不僅將擴(kuò)大增材制造的材料面板，而且還將切實(shí)促進(jìn)增材制造的工業(yè)應(yīng)用。然而，MAX階段零件的增材制造目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段，在進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用之前還有許多挑戰(zhàn)需要解決。這些缺陷包括高夾雜物含量、低尺寸精度和制造路線的復(fù)雜性等。因此，對(duì)MAX相部件增材制造研究進(jìn)展進(jìn)行全面的總結(jié)分析具有重要的理論和實(shí)踐意義。

論文首先對(duì)燒結(jié)MAX相部件進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，重點(diǎn)介紹了典型的微觀結(jié)構(gòu)和性能。粉末固體燒結(jié)是一種有效制造高密度，高純度MAX相的方法。然而這種方法的挑戰(zhàn)在于制造靈活性低，設(shè)計(jì)自由度少，生產(chǎn)規(guī)模小。這是粉末固態(tài)合成固有的缺點(diǎn)。

之后，本文更全面地綜述了增材制造法合成MAX相部件的最新進(jìn)展和特征。它旨在為讀者提供MAX相材料增材制造的最前沿知識(shí)。目前，典型的生產(chǎn)MAX相的增材制造工藝包括Binder Jetting, Direct-ink-writing以及Sheet Lamination。本文以常見的MAX相Ti3SiC2以及Ti3AlC2為例，從生產(chǎn)工藝，相成分，微觀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能方面討論了這些增材制造方法較傳統(tǒng)固體燒結(jié)在生產(chǎn)MAX相部件的特點(diǎn)與區(qū)別。本文還討論了與這些工藝在生產(chǎn)MAX相方面的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括增材制造可加工性差、MAX相純度低以及最終部件的幾何精度不足等。

基于上述內(nèi)容，論文作者提出了一些可能值得未來研究關(guān)注的主題。

(1）鑒于目前制造MAX相部件的粉末燒結(jié)方法的局限性，增材制造被認(rèn)為是一種非常有前途的技術(shù)，可以在極端環(huán)境操作條件下制造這種類型的工程部件，例如在超音速和高超聲速飛行速度下。因此，需要對(duì)MAX相增材制造進(jìn)行研究，以釋放其潛力。

（2）粉末融合增材制造的優(yōu)勢(shì)使得在制造具有幾何復(fù)雜性的部件時(shí)，可以使用市上可用的金屬粉末和陶瓷粉末原位合成MAX相。在此方法中合成的MAX相由于形成了不同的微結(jié)構(gòu)而提高了性能。但是，在增材制造過程中原位合成優(yōu)良MAX相的技術(shù)還需要進(jìn)一步的研究。

（3）到目前為止，已經(jīng)報(bào)道了150多種不同的MAX相，它們具有不同的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。有必要為特定應(yīng)用開發(fā)不同的增材制造制造路線，以定制MAX階段。

（4）鑒于MAX相在高溫下的應(yīng)用潛力，建議綜合評(píng)價(jià)增材制造法制備MAX相的高溫性能，如高溫抗氧化性和蠕變行為。

 圖文解析

圖1. MAX相的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2. 部分211和312 MAX燒結(jié)相的性能：(a)密度，(b)電導(dǎo)率，(c)導(dǎo)熱率，(d)硬度，(e)斷裂韌性，(f)抗壓強(qiáng)度，(d)和(e)中的網(wǎng)格表示數(shù)值變化。

圖3. (a)打印狀態(tài)下的零件形態(tài)，(b)打印后進(jìn)行CIP， (c)印刷后進(jìn)行CIP和燒結(jié)

圖4. 采用粘結(jié)劑噴射-固結(jié)方法制備的Ti3SiC2化合物的微觀結(jié)構(gòu)表征：(a)粘結(jié)劑噴射/CIP/燒結(jié)制備樣品的光學(xué)顯微照片，(b)高倍掃描電鏡圖像，(c)通過粘結(jié)劑噴射TiC粉末然后液體硅滲透制備的樣品的SEM顯微照片

圖5. 打印后的晶格支架圖像 (a) Cr2AlC和(b) Ti2AlC; (c, d) Cr2AlC晶格和(e, f) Ti2AlC晶格中支柱的掃描電鏡俯視圖和截面的圖像; (g) Cr2AlC支柱和(h) Ti2AlC支柱的截面掃描電鏡顯微圖。

圖6. (a) 3D打印Cr2AlC和Ti2AlC晶格與燒結(jié)多孔MAX相和其他3D打印多孔陶瓷。(b) 1100 °C 200次熱循環(huán)前 (左)后(右)Cr2AlC晶格圖像。(c)熱循環(huán)后Cr2AlC支柱的SEM圖像(俯視圖)，顯示出優(yōu)異的抗高溫?zé)釠_擊性和抗氧化性。

圖7. (a)通過由增材制造、燒結(jié)和RMI組成的制造路線生產(chǎn)的三維齒輪零件的圖像。(b – d)以不同TiC / SiC比例 (b) 30:70 (vol.%)，(c) 50:50 (vol.%)和(d) 70:30 (vol.%)制備的MAX相的SEM顯微圖。

圖8. (a) PBF和(b) DED系統(tǒng)的概念圖;采用粉末熔合增材制造技術(shù)制備的典型部件: (c)具有渦輪葉片形狀的Ti-22Al-25Nb金屬間化合物，(d)具有三維復(fù)雜形狀的Al2O3， (e)具有渦輪增壓器中渦輪形狀的ZrO2-Al2O3陶瓷。

 結(jié)論展望

（1）粉末固體燒結(jié)是一種有效的方法，以制造高密度，純MAX相所需的性能所需的工程應(yīng)用。然而，這種方法的挑戰(zhàn)在于制造靈活性低，設(shè)計(jì)自由度少，生產(chǎn)規(guī)模小，這是固態(tài)合成所固有的。

（2）前沿的增材制造工藝，如粉末床融合和定向能量沉積，有望能夠生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何特征的高密度MAX相部件。

（3）增材制造 – MAX相的顯微組織與燒結(jié)相的顯微組織明顯不同，主要特征是增材制造 – MAX相中輔助夾雜物的比例明顯較高。

（4）這些夾雜物對(duì)增材制造制備的MAX相的力學(xué)性能影響不大。然而，由于MAX相純度較低，其他性能，如熱傳導(dǎo)率和電導(dǎo)率以及高溫抗氧化性可能會(huì)顯著受損。

（5）增材制造制造的MAX相純度較低可能是由于MAX相合成反應(yīng)的不足和/或在后續(xù)燒結(jié)過程中輔助反應(yīng)的參與。

（6）后期熱處理和燒結(jié)對(duì)粘結(jié)劑的去除和固結(jié)是必不可少的。然而，這些過程導(dǎo)致最終樣品顯著收縮和幾何變形。

（7）為了提高樣品質(zhì)量和最終的MAX相純度，工藝優(yōu)化是目前基于增材制造的方法的關(guān)鍵。這可能包括反應(yīng)物之間的化學(xué)計(jì)量比、溫度以及熱處理、燒結(jié)和RMI中的相關(guān)保持時(shí)間。此外，為了補(bǔ)償后處理引起的畸變，在CAD模型設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮幾何補(bǔ)償因子。

（8）與現(xiàn)有的基于增材制造的方法相比，包括PBF和DED在內(nèi)的先進(jìn)粉末熔合增材制造技術(shù)可能更有效地直接合成具有高幾何復(fù)雜性的高性能MAX相。

作者團(tuán)隊(duì)

第一作者：譚啟玚

通訊作者：張明星

通訊單位：昆士蘭大學(xué)機(jī)械與采礦工程學(xué)院

(責(zé)任編輯：admin)

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