华南理工等 l 异质/梯度金属材料激光粉末床熔融增材制造的最新进展

在通向异质/梯度材料的工程化应用之路上，尚存在诸多挑战，指引着我们共同思考一个问题：我们是否已经准备好了一套从“设计-制造-性能评估”的完整技术生态系统，来真正驾驭材料在微观尺度上的自由“编程”？

论文链接：

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

作者

王迪，刘林青*，唐锦荣，刘洋，韦超*，翁徵潇，邵家伟，谭华，周伟，Bram Neirinck，Nicolas Gianfolcaro，杨永强，韩昌骏*

机构

华南理工大学，宁波大学，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，西北工业大学，厦门大学，比利时Schaeffler Aerosint SA

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。本期谷·专栏文章将对该文进行简要分享。

图1 异质/梯度金属材料LPBF技术概述。

2. 图文解析

（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。

论文引用

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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作者介绍

杨永强 华南理工大学

杨永强，华南理工大学机械与汽车工程学院教授/博导。现任中国机械工程学会增材制造分会常务理事、中国机械工程学会生物制造分会理事、广东省增材制造协会会长、广东省大湾区激光与增材制造产业技术创新联盟副理事长等。在增材制造（3D打印）、激光材料加工等方面做了大量的研究工作，开发出Dimetal系列激光选区熔化金属3D打印设备，相关成果已经产业化。发表相关学术论文300余篇，专著8部。申请专利360余件，其中授权发明专利65件。获省部级奖励4项，多次入选ESI高被引学者。

王迪 华南理工大学

王迪（第一作者），华南理工大学机械与汽车工程学院教授/博导，长期从事金属增材制造工艺优化、装备开发与应用等研究工作。入选国家级青年人才计划、获得广东省杰出青年基金和省特支计划高层次人才等荣誉。主持国家重点研发计划课题2项、国家自然科学基金项目5项等。以第一/通讯作者发表论文100余篇，获省技术发明奖一等奖（排2）、省科技进步二等奖2项（排1，2）、省专利奖银奖等，授权国际/国内发明专利40余件，专利转化20余件，参与增材制造国家标准制定15项。2015至今连续八年担任全国增材制造青年科学家论坛共同主席，担任全国增材制造标准化技术委员会委员、全国特种加工机床标准化技术委员会委员、中国机械工程学会特种加工分会理事等。

韦超 中国科学院宁波材料技术与工程研究所

韦超（通讯作者），研究员，现任中国科学院宁波材料技术与工程研究所激光极端制造研究中心副主任，本科毕业于南京航空航天大学，硕士及博士毕业于英国曼彻斯特大学，主要研究领域包括多材料粉床增材制造、难加工材料激光复合加工。韦超是多材料粉床增材制造的技术发明者之一，在国际上较早实现了复杂三维多材料零件一体化成型，2023年入选斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单。2022年回国至今，围绕国家重大需求领域开展先进激光制造技术应用研究，作为项目负责人主持国家重点研发计划、军科委重大项目、中国科学院先导专项项目等科研任务，在研国拨项目经费约1亿元。现任《极端制造（英文）》国际期刊青年编委、中国机械工程学会极端制造分会委员，任英国机械工程师学会特许工程师及英国激光用户协会青年委员会委员。

韩昌骏 华南理工大学

韩昌骏（通讯作者），华南理工大学机械与汽车工程学院副教授/博导。长期从事激光增材制造研究，入选中国科协青年人才托举工程。主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金（面上/青年/国合）、装备预研领域基金等国家/省部级课题10余项，获第一届全国博士后创新创业大赛金奖、广东省科技进步二等奖等。以一作/通讯在Adv. Mater., Int. J. Mach. Tool. Manu. Int. J. Extre. Manu.等SCI期刊发表论文50余篇（ESI高被引6篇，11篇影响因子>10）。担任中国有色金属学会增材制造技术专委会委员，中国机械工程学会增材制造技术分会青年委员、Virtual and Physical Prototyping编委，International Journal of Extreme Manufacturing、Additive Manufacturing Frontiers 等期刊青年编委。

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