在通向異質(zhì)/梯度材料的工程化應(yīng)用之路上，尚存在諸多挑戰(zhàn)，指引著我們共同思考一個(gè)問題：我們是否已經(jīng)準(zhǔn)備好了一套從“設(shè)計(jì)-制造-性能評(píng)估”的完整技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)，來真正駕馭材料在微觀尺度上的自由“編程”？

論文鏈接：

https://doi.org/10.1088/2631-7990/adf69e

作者

王迪，劉林青*，唐錦榮，劉洋，韋超*，翁徵瀟，邵家偉，譚華，周偉，Bram Neirinck，Nicolas Gianfolcaro，楊永強(qiáng)，韓昌駿*

機(jī)構(gòu)

華南理工大學(xué)，寧波大學(xué)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，西北工業(yè)大學(xué)，廈門大學(xué)，比利時(shí)Schaeffler Aerosint SA

1.文章導(dǎo)讀

激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion, LPBF）能夠精確控制材料在零件內(nèi)部的分布，為精細(xì)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)異質(zhì)/梯度金屬材料構(gòu)件的高性能、多功能性主動(dòng)設(shè)計(jì)提供了創(chuàng)新途徑。因此，異質(zhì)/梯度金屬材料LPBF成形技術(shù)已成為近年來金屬增材制造技術(shù)創(chuàng)新的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。

近期，華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)教授、王迪教授團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所韋超教授團(tuán)隊(duì)、西北工業(yè)大學(xué)譚華教授團(tuán)隊(duì)、廈門大學(xué)周偉教授團(tuán)隊(duì)、寧波大學(xué)劉洋教授團(tuán)隊(duì)以及比利時(shí)Schaeffler Aerosint SA公司團(tuán)隊(duì)，在SCI期刊《極端制造（英文）》期刊上聯(lián)合發(fā)表了題為“Recent advances on additive manufacturing of heterogeneous/gradient metallic materials via laser powder bed fusion”的文章，系統(tǒng)綜述了異質(zhì)/梯度金屬材料LPBF研究的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了異質(zhì)/梯度材料LPBF制造方法、界面缺陷與工藝調(diào)控、創(chuàng)新設(shè)計(jì)及潛在應(yīng)用等方面，最終對(duì)異質(zhì)/梯度材料LPBF技術(shù)進(jìn)行了展望，旨在為異質(zhì)/梯度金屬材料LPBF技術(shù)的發(fā)展與研究提供思路與啟示。本期谷·專欄文章將對(duì)該文進(jìn)行簡(jiǎn)要分享。

圖1 異質(zhì)/梯度金屬材料LPBF技術(shù)概述。

2. 圖文解析

（1）異質(zhì)/梯度材料LPBF成形方法

目前，異質(zhì)/梯度材料種類主要可以分為Z向異質(zhì)材料、Z向梯度材料、XY向梯度材料和三維異質(zhì)材料。其中，三維異質(zhì)材料LPBF成形方法允許零件內(nèi)部的材料沿XYZ三維方向進(jìn)行定制性變化，增加了材料在3D空間上分布的自由度，從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件多樣化性能/功能的主動(dòng)設(shè)計(jì)。三維異質(zhì)材料LPBF技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式主要包括兩種途徑：（1）在單層打印過程中，首先激光掃描凝固一種粉末材料，然后去除未熔化的粉末并鋪設(shè)另一種粉末；進(jìn)一步進(jìn)行激光掃描打印，最終實(shí)現(xiàn)不同材料在同一層內(nèi)進(jìn)行打印（如圖2）；（2）直接將不同粉末按照定制化的圖案預(yù)置在粉末床上，并通過激光一次性對(duì)粉末床上的兩種粉末進(jìn)行掃描熔化、凝固成形，而不需要單獨(dú)的粉末去除步驟（如圖3）。

圖2 基于全幅面吸粉和鋪粉的三維異質(zhì)材料LPBF成形方法。

圖3 基于選擇性粉末沉積的三維異質(zhì)材料LPBF成形方法。

（2）界面缺陷與工藝調(diào)控

優(yōu)化界面激光工藝參數(shù)和材料打印順序、定制化界面過渡區(qū)（例如，引入中間層材料或成分梯度材料）、改變激光能量分布（例如，激光整形）、采用界面重疊策略以及熱等靜壓（HIP）后處理已被證明可有效減少界面缺陷并提高界面結(jié)合強(qiáng)度。此外，在異質(zhì)材料界面處主動(dòng)設(shè)計(jì)互鎖結(jié)構(gòu)有利于增加不同材料之間的接觸面積，并約束平行界面方向上的自由度，從而提高界面結(jié)合強(qiáng)度（如圖4）。

圖4 異質(zhì)材料界面互鎖設(shè)計(jì)以提高界面結(jié)合強(qiáng)度。

通過在供粉倉中采用傾斜的粉末隔板可實(shí)現(xiàn)沿水平方向連續(xù)成分梯度的粉末供給，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)XY方向梯度材料的LPBF成形。成分的連續(xù)梯度變化可實(shí)現(xiàn)晶粒形貌、尺寸和織構(gòu)的連續(xù)變化，保證其機(jī)械性能和導(dǎo)熱/導(dǎo)電性能的平滑過渡（如圖5）。

圖5 水平方向成分梯度材料的微觀組織與性能。

（3）創(chuàng)新設(shè)計(jì)與潛在應(yīng)用

材料布局和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的協(xié)同可激發(fā)異質(zhì)材料LPBF技術(shù)在成形復(fù)雜異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)方面的潛力，從而實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件性能和功能的多樣化、高度定制化。對(duì)金屬晶格結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料布局設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)局部或定向的定制化熱行為，以解決在熱輔助結(jié)構(gòu)中（例如太空望遠(yuǎn)鏡中的反射鏡架結(jié)構(gòu)等）實(shí)現(xiàn)零熱膨脹的挑戰(zhàn)（如圖6）。

圖6 通過材料布局與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)316L/CuCrZr晶格熱膨脹行為調(diào)控。

近年來，異質(zhì)材料零件由于其多功能/性能的集成特性，在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。德國(guó)Fraunhofer IGCV利用LPBF成功制造了燃燒室、渦輪散熱器和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的演示零件（如圖7a-c）。圖7c所示的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)演示零件的高溫暴露區(qū)域由銅制成，而承受高載荷的部分由高強(qiáng)度鋼組成。此外，外部的銅翅片可作為冷卻和支撐結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)理念使該火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在能效提升、可靠性保證方面比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)更有潛力。與完全由鎳基合金制成的單一材料零件相比，在燃燒器噴嘴中引入銅基合金可以使理論上的熱交換性能提高36%，如圖7d所示。在內(nèi)燃機(jī)噴油器的冷卻通道附近引入銅合金可顯著改善熱流分布，提高注射噴嘴的導(dǎo)熱性，進(jìn)而增加其工作壽命，如圖7e。

圖7 異質(zhì)材料零件的潛在應(yīng)用。

3. 總結(jié)與展望

雖然目前異質(zhì)/梯度材料的LPBF技術(shù)取得了重要研究進(jìn)展，但仍存在以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)：（1）異質(zhì)/梯度材料LPBF模型的生成過程繁瑣，目前不同材料模型大多依賴于人工分割與組合；（2）適用于異質(zhì)/梯度材料LPBF過程的專用控制軟件系統(tǒng)開發(fā)仍需進(jìn)一步研究；（3）LPBF過程中零件不同材料區(qū)域成分的交叉污染問題；（4）相比單一材料LPBF，異質(zhì)/梯度材料的LPBF成形效率仍需進(jìn)一步提高；（5）界面缺陷的抑制與界面結(jié)合性能提升；（6）不同材料的熱物理性質(zhì)和冶金特性差異會(huì)加劇界面應(yīng)力應(yīng)變行為的復(fù)雜性，目前該方面仍缺乏關(guān)注；（7）混合粉末的循環(huán)利用與回收仍是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的前提條件之一。未來潛在的發(fā)展方向包括異質(zhì)/梯度材料的材料布局與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、異質(zhì)/梯度材料LPBF過程仿真、借助機(jī)器學(xué)習(xí)等方法預(yù)測(cè)和優(yōu)化界面成形質(zhì)量、引入外場(chǎng)輔助增強(qiáng)界面結(jié)合、熱處理提升界面結(jié)合性能、標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估方法與體系建立（材料/工藝/性能/后處理）等。

論文引用

Wang D et al. 2025. Recent advances on additive manufacturing of heterogeneous/gradient metallic materials via laser powder bed fusion. Int. J. Extrem. Manuf. 6 062007.

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作者介紹

楊永強(qiáng) 華南理工大學(xué)

楊永強(qiáng)，華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授/博導(dǎo)?，F(xiàn)任中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造分會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)生物制造分會(huì)理事、廣東省增材制造協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)、廣東省大灣區(qū)激光與增材制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟副理事長(zhǎng)等。在增材制造（3D打?。?、激光材料加工等方面做了大量的研究工作，開發(fā)出Dimetal系列激光選區(qū)熔化金屬3D打印設(shè)備，相關(guān)成果已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文300余篇，專著8部。申請(qǐng)專利360余件，其中授權(quán)發(fā)明專利65件。獲省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)4項(xiàng)，多次入選ESI高被引學(xué)者。

王迪 華南理工大學(xué)

王迪（第一作者），華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授/博導(dǎo)，長(zhǎng)期從事金屬增材制造工藝優(yōu)化、裝備開發(fā)與應(yīng)用等研究工作。入選國(guó)家級(jí)青年人才計(jì)劃、獲得廣東省杰出青年基金和省特支計(jì)劃高層次人才等榮譽(yù)。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題2項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目5項(xiàng)等。以第一/通訊作者發(fā)表論文100余篇，獲省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（排2）、省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)（排1，2）、省專利獎(jiǎng)銀獎(jiǎng)等，授權(quán)國(guó)際/國(guó)內(nèi)發(fā)明專利40余件，專利轉(zhuǎn)化20余件，參與增材制造國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定15項(xiàng)。2015至今連續(xù)八年擔(dān)任全國(guó)增材制造青年科學(xué)家論壇共同主席，擔(dān)任全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員、全國(guó)特種加工機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì)理事等。

韋超 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所

韋超（通訊作者），研究員，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所激光極端制造研究中心副主任，本科畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，碩士及博士畢業(yè)于英國(guó)曼徹斯特大學(xué)，主要研究領(lǐng)域包括多材料粉床增材制造、難加工材料激光復(fù)合加工。韋超是多材料粉床增材制造的技術(shù)發(fā)明者之一，在國(guó)際上較早實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜三維多材料零件一體化成型，2023年入選斯坦福大學(xué)發(fā)布的全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。2022年回國(guó)至今，圍繞國(guó)家重大需求領(lǐng)域開展先進(jìn)激光制造技術(shù)應(yīng)用研究，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、軍科委重大項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目等科研任務(wù)，在研國(guó)撥項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)約1億元。現(xiàn)任《極端制造（英文）》國(guó)際期刊青年編委、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)極端制造分會(huì)委員，任英國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)特許工程師及英國(guó)激光用戶協(xié)會(huì)青年委員會(huì)委員。

韓昌駿 華南理工大學(xué)

韓昌駿（通訊作者），華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院副教授/博導(dǎo)。長(zhǎng)期從事激光增材制造研究，入選中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金（面上/青年/國(guó)合）、裝備預(yù)研領(lǐng)域基金等國(guó)家/省部級(jí)課題10余項(xiàng)，獲第一屆全國(guó)博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎(jiǎng)、廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)等。以一作/通訊在Adv. Mater., Int. J. Mach. Tool. Manu. Int. J. Extre. Manu.等SCI期刊發(fā)表論文50余篇（ESI高被引6篇，11篇影響因子>10）。擔(dān)任中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)專委會(huì)委員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)分會(huì)青年委員、Virtual and Physical Prototyping編委，International Journal of Extreme Manufacturing、Additive Manufacturing Frontiers 等期刊青年編委。

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