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1.文章导读

激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion, LPBF）能够精确控制材料在零件内部的分布，为精细、复杂结构异质/梯度金属材料构件的高性能、多功能性主动设计提供了创新途径。因此，异质/梯度金属材料LPBF成形技术已成为近年来金属增材制造技术创新的前沿热点之一。

近期，华南理工大学杨永强教授、王迪教授团队、中国科学院宁波材料技术与工程研究所韦超教授团队、西北工业大学谭华教授团队、厦门大学周伟教授团队、宁波大学刘洋教授团队以及比利时Schaeffler Aerosint SA公司团队，在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上联合发表了题为“Recent advances on additive manufacturing of heterogeneous/gradient metallic materials via laser powder bed fusion”的文章，系统综述了异质/梯度金属材料LPBF研究的最新进展，重点介绍了异质/梯度材料LPBF制造方法、界面缺陷与工艺调控、创新设计及潜在应用等方面，最终对异质/梯度材料LPBF技术进行了展望，旨在为异质/梯度金属材料LPBF技术的发展与研究提供思路与启示。

图1 异质/梯度金属材料LPBF技术概述

2. 图文解析（创新研究/研究亮点/研究进展）

（1）异质/梯度材料LPBF成形方法

目前，异质/梯度材料种类主要可以分为Z向异质材料、Z向梯度材料、XY向梯度材料和三维异质材料。其中，三维异质材料LPBF成形方法允许零件内部的材料沿XYZ三维方向进行定制性变化，增加了材料在3D空间上分布的自由度，从而实现构件多样化性能/功能的主动设计。三维异质材料LPBF技术的实现方式主要包括两种途径：（1）在单层打印过程中，首先激光扫描凝固一种粉末材料，然后去除未熔化的粉末并铺设另一种粉末；进一步进行激光扫描打印，最终实现不同材料在同一层内进行打印（如图2）；（2）直接将不同粉末按照定制化的图案预置在粉末床上，并通过激光一次性对粉末床上的两种粉末进行扫描熔化、凝固成形，而不需要单独的粉末去除步骤（如图3）。

图2 基于全幅面吸粉和铺粉的三维异质材料LPBF成形方法

图3 基于选择性粉末沉积的三维异质材料LPBF成形方法

（2）界面缺陷与工艺调控

优化界面激光工艺参数和材料打印顺序、定制化界面过渡区（例如，引入中间层材料或成分梯度材料）、改变激光能量分布（例如，激光整形）、采用界面重叠策略以及热等静压（HIP）后处理已被证明可有效减少界面缺陷并提高界面结合强度。此外，在异质材料界面处主动设计互锁结构有利于增加不同材料之间的接触面积，并约束平行界面方向上的自由度，从而提高界面结合强度（如图4）。

图4 异质材料界面互锁设计以提高界面结合强度

通过在供粉仓中采用倾斜的粉末隔板可实现沿水平方向连续成分梯度的粉末供给，进而实现XY方向梯度材料的LPBF成形。成分的连续梯度变化可实现晶粒形貌、尺寸和织构的连续变化，保证其机械性能和导热/导电性能的平滑过渡（如图5）。

图5 水平方向成分梯度材料的微观组织与性能

（3）创新设计与潜在应用

材料布局和创新结构设计的协同可激发异质材料LPBF技术在成形复杂异质材料结构方面的潜力，从而实现金属构件性能和功能的多样化、高度定制化。对金属晶格结构的几何形状和材料布局设计可以实现局部或定向的定制化热行为，以解决在热辅助结构中（例如太空望远镜中的反射镜架结构等）实现零热膨胀的挑战（如图6）。

图6 通过材料布局与结构设计实现316L/CuCrZr晶格热膨胀行为调控

近年来，异质材料零件由于其多功能/性能的集成特性，在航空航天、生物医疗等领域展现出巨大的应用潜力。德国Fraunhofer IGCV利用LPBF成功制造了燃烧室、涡轮散热器和火箭发动机的演示零件（如图7a-c）。图7c所示的火箭发动机演示零件的高温暴露区域由铜制成，而承受高载荷的部分由高强度钢组成。此外，外部的铜翅片可作为冷却和支撑结构，这种设计理念使该火箭发动机在能效提升、可靠性保证方面比传统发动机更有潜力。与完全由镍基合金制成的单一材料零件相比，在燃烧器喷嘴中引入铜基合金可以使理论上的热交换性能提高36%，如图7d所示。在内燃机喷油器的冷却通道附近引入铜合金可显著改善热流分布，提高注射喷嘴的导热性，进而增加其工作寿命，如图7e。

图7 异质材料零件的潜在应用

3. 总结与展望

虽然目前异质/梯度材料的LPBF技术取得了重要研究进展，但仍存在以下几个方面的挑战：（1）异质/梯度材料LPBF模型的生成过程繁琐，目前不同材料模型大多依赖于人工分割与组合；（2）适用于异质/梯度材料LPBF过程的专用控制软件系统开发仍需进一步研究；（3）LPBF过程中零件不同材料区域成分的交叉污染问题；（4）相比单一材料LPBF，异质/梯度材料的LPBF成形效率仍需进一步提高；（5）界面缺陷的抑制与界面结合性能提升；（6）不同材料的热物理性质和冶金特性差异会加剧界面应力应变行为的复杂性，目前该方面仍缺乏关注；（7）混合粉末的循环利用与回收仍是该技术实现工程化应用的前提条件之一。未来潜在的发展方向包括异质/梯度材料的材料布局与结构设计、异质/梯度材料LPBF过程仿真、借助机器学习等方法预测和优化界面成形质量、引入外场辅助增强界面结合、热处理提升界面结合性能、标准化评估方法与体系建立（材料/工艺/性能/后处理）等。