苏州大学 l 增材制造金属异质结构材料

金属材料长期面临“高强度-高塑性”难以兼顾的问题。异质结构材料通过在同一材料或构件中引入不同成分、组织、相结构或性能区域，可利用异质区之间的协同变形、背应力强化和界面约束效应，实现强度与塑性的协同提升。然而，传统制备方法通常受限于几何复杂度和空间异质性调控能力，难以满足复杂构件和多功能集成制造需求。

增材制造为这一问题提供了新的解决思路。与传统加工不同，增材制造通过熔池和层的逐步堆积形成构件，可在熔池尺度、层尺度和三维空间尺度上调控材料排布与组织结构。因此，增材制造不仅是复杂金属构件的成形技术，也逐渐成为构筑金属异质结构材料的重要平台。

近日，Materials Research Letters 在线发表综述文章“Additive manufacturing of metallic heterostructured materials: from 1D to 4D”。许潇艺博士和刘天舒老师为论文共同第一作者，谭超林教授和南洋理工大学杨永靖博士为论文通讯作者，苏州大学为第一通讯单位。文章围绕增材制造金属异质结构材料这一前沿方向，系统总结了其结构分类、制备工艺、界面缺陷与组织演化、变形断裂行为、强化机制及未来发展趋势。

论文链接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2026.2680191

文章首先提出了面向增材制造金属异质结构材料的1D-4D分类体系，如图1所示。1D异质结构材料是最基础的线性异质结构，通常表现为单一界面或单一梯度过渡区。2D异质结构材料进一步引入多层或多界面排布。3D异质结构材料的异质性同时分布于层内和层间，可形成编织结构、棋盘结构、互穿结构和仿珍珠层结构等复杂空间构型。4D异质结构材料则在前三者基础上引入时间维度，使材料在外界刺激下发生形状、性能或功能的动态演化。

图1. 增材制造金属异质结构材料从1D到4D的分类框架。

文章还系统梳理了制备这类材料的主要增材制造技术，如图2所示。激光定向能量沉积适合多材料送粉和实时成分调控，可用于制备梯度结构和空间异质结构；激光粉末床熔融具有较高成形精度，适合复杂精细结构制造；电弧增材制造沉积效率高，适用于大型构件；固相增材制造避免了完全熔化过程，在减少热应力、氧化和脆性相方面具有潜力。不同工艺各具优势，也对应着不同类型异质结构材料的发展路径。

图2. 四种增材制造技术在异质结构材料制备中的特点对比。

界面是增材制造金属异质结构材料性能调控的关键。图3表明，1D异质结构中的界面质量受重熔策略、梯度过渡设计、中间层引入以及界面熔体流动等因素共同影响。适当的界面重熔和梯度成分设计有助于改善冶金结合、降低孔隙和裂纹；中间层可抑制脆性金属间化合物生成；元素互扩散和Marangoni对流则有助于形成连续结合和互锁界面。因此，1D异质结构的核心在于通过界面工程实现缺陷抑制和可靠连接。

图3. 1D异质结构材料界面缺陷控制与微观组织演化。

对于2D异质结构材料，多层交替沉积进一步提高了异质界面密度，使材料在层尺度、熔池尺度和晶粒尺度上形成多级异质组织。如图4所示，沉积顺序、循环热历史和材料物性差异会影响界面形貌、晶粒结构和相分布。相比1D异质结构材料，2D异质结构材料的界面不仅承担连接作用，还参与载荷传递、裂纹偏转和塑性协调，是实现整体强韧化的重要结构单元。

图4. 2D异质结构材料的界面微观组织。

对于更高维度的异质结构，增材制造的空间编程能力更加突出。图5展示了3D异质结构材料的多种制备策略，包括激光定向能量沉积、气氛切换型LPBF、粉末替换型LPBF、粉末选择性铺放型LPBF，以及LPBF与渗透复合的混合工艺。这些方法使不同材料能够在层内和层间同时分布，从而显著提高界面密度和结构设计自由度。

在力学机制方面，增材制造金属异质结构材料的优异性能不仅来自不同材料本身的性能叠加，更来自异质区之间的协同作用。当软区和硬区共同变形时，界面附近会产生应变梯度和几何必要位错累积，由此形成背应力和正向应力，进而产生异质变形诱导强化效应。同时，熔池边界、局部重熔、快速凝固、残余应力和本征热处理效应，也会共同影响材料的强度、塑性和断裂行为。

图5. 3D异质结构材料的不同增材制造制备策略。

文章还讨论了4D金属异质结构材料的发展潜力。图6展示了形状记忆合金、可降解Mg-Ti互穿结构以及热响应双金属结构等典型4D异质结构材料。与静态异质结构不同，4D异质结构材料将“时间响应”引入金属构件中，使其能够在温度、应力或生理环境等刺激下发生可编程的形状恢复、热致变形、生物降解或功能演化，在生物医用、智能结构和极端服役装备中具有潜在应用价值。

图6. 典型4D金属增材制造异质结构材料及其功能响应。

总体而言，该综述从“结构维度”和“功能演化”两个角度，为增材制造金属异质结构材料建立了系统的1D-4D分类框架。图7进一步总结了该领域的未来发展方向，包括异质强化机制数字化、多材料体系与工艺创新、界面可靠性调控、服役性能评价以及智能化设计制造。随着多材料增材制造、原位监测、计算模拟、机器学习和4D打印技术的发展，金属异质结构材料有望从静态强韧化结构走向可设计、可调控、可响应的多功能金属构件。

图7. 增材制造金属异质结构材料的未来发展方向。

论文引用

Xu, X., Liu, T. S., Yang, Y., & Tan, C. (2026). Additive manufacturing of metallic heterostructured materials: from 1D to 4D. Materials Research Letters, 1–32.

本文转载自：MRL编辑部邀请，由作者团队供稿。

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