面向高端裝備的異質熔絲增材制造功能梯度材料研究進展，綜述絲材同步送進原位冶金成分連續漸變技術，揭示組織-性能演化規律及界面強韌化機制，指出成分分辨率與穩定性瓶頸

1、引言

在全球制造業持續高速演進的背景下，市場對具備高性能、輕量化與多功能特性的金屬構件提出了愈發迫切的要求[1-3]。多金屬材料構件因其能夠將不同組元材料的屬性進行有效集成，使其在航空航天、船舶制造及核能等前沿科技領域的應用前景極為廣闊[4,5]。以航空發動機為例，其關鍵部件通常需實現耐高溫合金與高韌性結構材料的可靠結合，這對于金屬構件的加工提出了更高的要求[6]。當前此類構件的生產制造仍主要沿用熔焊、釬焊、擴散焊及機械連接等傳統連接工藝[7-9]。然而，上述工藝往往流程繁瑣、成本高昂且連接位置可靠性難以保證，已逐漸難以契合現代制造業對結構一體化與性能定制化的需求。因此，探索并開發高效、可靠的多金屬材料一體化成形新方法，已成為制約高端裝備制造業突破發展的核心瓶頸。

增材制造技術(additive manufacturing,AM)，作為一項基于“離散-堆積”原理而興起的顛覆性制造范式，在復雜結構一體化成形、縮短研發周期及小批量柔性化生產等方面展現出巨大的優勢[10-15]。其中，異質(兩種及以上)熔絲增材制造作為AM的一項前沿分支，為多材料構件的加工制造帶來了新的契機[16-19]。該技術的核心在于能夠在沉積過程中將兩種或多種不同的材料絲材以精確協同的方式送入熔池，并通過調控各絲材的送進速度比，實現對沉積層化學成分的精準控制[20-22]。這一技術為多材料構件的制造開辟了全新的路徑，其應用價值主要體現在如下兩個層面:

一方面，該技術可以方便快捷地實現多材料構件的“一體化”直接連接成形。通過在預設的沉積位置或不同沉積層中，策略性地切換送入不同的絲材，可以實現特定區域的材料更換，從而實現多材料構件的沉積制造。與粉末床式多材料AM技術相比，異質熔絲AM避免了材料切換過程中復雜的粉末回收、篩分及腔室清潔等繁瑣工序，從而有效杜絕了不同材料間的交叉污染風險。該技術通過按需送絲的方式，不僅繼承了熔絲工藝固有的高理論沉積速率優勢，更實現了近乎完全的材料利用率，雖然在匹配絲材速度及比例過程中，沉積速率可能有所下降，但是有效功能梯度沉積速率與粉末式相比仍可保證較高值，該技術在工藝簡便性與經濟性上的雙重優勢，使其在制造大型、高性能異質材料構件方面展現出巨大的應用潛力[23,24]。另外，與異質送粉式AM方式相比，除了上述提到的有效功能梯度沉積效率及材料利用率的優勢外，異質熔絲式AM技術還可以實現成分的精準控制，這是因為異質絲材送入速度可以準確設定并從理論上實現絲材的完全送入，而異質送粉式AM由于粉末難以全部送入熔池，所以在熔池冶金的成分準確性方面略顯不足。但是，異質熔絲增材在熔池尺寸方面要遠大于粉末式AM方式，故在成分分辨率方面存在較大挑戰，主要適用于較大尺寸的多材料構件。另外，異質絲材間物性參數差異、不穩定的傳質模式及過程時變性還使得該技術面臨著過程穩定性差、樣件成形質量差的技術瓶頸。科學方面，異質熔絲AM技術在多物理場共同作用下，熔池的宏觀流體動力學如何與熔滴的動量、熔化及界面行為耦合尚待解決，因為這不但決定溶質元素的混合效率、成分勻質化與精準化，也是實現高質量的關鍵。另一方面，不同于傳統的機械連接或焊接工藝，異質熔絲AM技術特有的“熔池”冶金結合特性，為緩解異種材料連接中常見的界面應力集中、結合強度不足等問題提供了新的解決方案[25, 26]。這是因為異質熔絲AM技術使得多材料之間的連接實現了從突變到梯度的轉變，通過原位、動態的改變連接位置處的化學成分，可構建一個成分和性能連續變化的梯度過渡區，從而實現金屬間化合物的有效抑制及緩解因異種材料界面因熱物理性能突變引起的應力集中問題。這為材料界面的微觀結構設計與宏觀性能優化提供了良好的自由度，這對于提升構件的整體可靠性與服役壽命具有重要的意義。

另一方面，異質熔絲AM技術開創了新材料“原位合成”與成分“連續漸變”的制造新模式[25,27-30]。除了可以策略性切換送絲種類外，該技術還能夠將多種元素或合金絲材同步送入熔池，利用熔池內的高溫環境及強烈對流引發原位冶金反應，直接“打印”出具有特定性能的新型合金。更進一步地，通過連續、動態地調整送絲比例，可以在一個構件內部實現化學成分與力學性能的連續梯度過渡，實現功能梯度材料的一體化制造，給多金屬構件的加工制備提供了新的范式及新的方向。這為應對航空航天、能源裝備、生物醫療及汽車工業等領域中極端工況提供了極具潛力的解決方案。在航空航天領域，該技術可用于臨近空間飛行器組合發動機燃燒室耐熱材料與冷卻輕質材料的一體化構件，實現輕量化與耐高溫的功能集成。在能源裝備領域，該技術可有效就解決復雜工況(如高溫、高壓、強腐蝕)下的多材料復合部件的制造需求。在生物醫療領域，該技術可靈活實現輕質、抗腐蝕及高生物相容性材料集成的功能梯度樣件，有效匹配植入物的復雜需求。因此異質熔絲AM技術催生了新一代高性能、多功能構件的設計與制造契機。然而，該技術轉化為可靠的工程應用仍面臨嚴峻挑戰。異質絲材間物性參數差異、復雜的工藝參數及沉積過程時變性，極易導致過程穩定性差、沉積樣件成分組織不均勻及成形質量差等問題，是推動該技術走向工業化必須攻克的關鍵難題。

目前常見多金屬結構件的組合方式總結如圖1所示。傳統方式下多為直接連接式，即將材料A及材料B直接相連(見圖1(a))，該種方式則對于異質熔絲AM技術更加容易實現，即通過直接切換送入絲材種類即可完成直接連接式構件的制備。而通過逐層切換絲材類型則可以完成制備如圖1(b)所示的逐層切換性多材料樣件。其次，異質熔絲AM技術還可利用上述提到的多絲材原位合成技術通過控制各絲材的送入比例實現材料A與材料B的過渡連接甚至于大范圍梯度漸變，如圖1(c，d)所示。除直接連接式外，傳統加工方法對于逐層切換式、過渡連接式及梯度漸變式的制備存在極大挑戰，甚至于難以加工。而異質熔絲AM的技術則可輕易實現對于上述組合方式的加工。

近些年，國內外研究學者針對異質熔絲AM技術在多材料沉積方面開展了大量的研究，為高性能多金屬構件的制造奠定了堅實的理論基礎與技術儲備。本文旨在對該領域的研究進展進行系統性梳理。首先，深入剖析了異質熔絲AM技術的核心原理與關鍵裝備;其次，系統性地總結了該技術在多金屬材料構件制備方面的最新研究現狀與代表性成果;在此基礎上，重點闡明并深入分析當前面臨的關鍵科學與技術挑戰;最后，對該技術的未來發展趨勢與潛在研究方向進行前瞻性探討，以期為相關領域的后續研究提供有價值的參考。

2、異質熔絲增材制造技術原理與裝備

異質熔絲AM技術是在傳統單熔絲技術上發展出的一種新型AM技術，其特色是可以在共熱源下分時段或者同時送入兩種以上的絲材，該技術在繼承了熔絲AM技術高理論沉積效率及高材料利用率的基礎上，還可實現多材料構件以及材料的原位制備，有望實現材料制備及結構制造的一體化。異質熔絲AM系統主要由多絲送入模塊、熱源模塊、運動臺及控制系統組成。目前，根據熱源類型的不同，主要可分為激光、電子束及電弧異質熔絲AM技術三種，具體如圖2所示。

激光熱源具有束斑方便調控、工藝適應性強及能量密度高的優勢，在異質熔絲AM領域具有重要應用前景，然而由于前期設備較電弧相對昂貴且設備復雜，目前在熔絲領域仍處于起步階段[31-34]。但隨著近些年國產激光器的普及以及市場價格的不斷下降，激光逐漸有望成為替代電弧的低成本熱源。尤其是新發展的激光同軸送入技術得到了諸多關注，該技術下絲材以垂直方式送入熔池，多束激光器則形成環形光斑的形式熔化絲材，其中激光異質熔絲同軸送入的方式及設備如圖2(a)所示[35,36]。電子束異質熔絲AM技術具有高真空環境、高沉積效率及高能量利用率的優勢，被認為十分有利于異質熔絲增材制造過程中的原位冶金。但是電子束設備相對復雜(如真空泵組、電子槍及高壓電源等)且價格昂貴，尤其是真空室受限的成形尺寸成為限制其廣泛應用的主要挑戰，然而近些年在異質熔絲沉積領域也有著廣泛的報道[37-41]。電子束異質熔絲AM技術具體原理及設備如圖2(b)所示。電弧異質熔絲AM技術是基于傳統弧焊所發展而來的一種技術，具有設備簡單及價格便宜的優勢，且不受成形空間的限制，適合超大尺寸零件制造[42-45]。因此，在異質熔絲AM領域，電弧仍被作為主流熱源在使用，其具體設備原理及實物如圖2(c)所示。

另外，三種熱源在熔化金屬原理及熔池作用機制上也存在本質性差異。其中，激光熱源利用高能激光束與金屬材料作用，實現材料的加熱及熔化，所形成的熔池冶金反應劇烈，且金屬反沖壓力作用效果明顯，并伴隨著快速冷卻的特征。電子束熱源則主要在真空環境下利用高能電子束轟擊金屬表面達到使材料熔化的目的，該工藝下的熔池同樣具備高溫與反沖壓力作用明顯的特點，不同于激光的是，電子束的真空氛圍能夠有效抑制熔池內異質金屬元素的氧化反應，保障材料成分穩定性。相較而言，電弧熱源以電弧放電為熱輸入方式加熱基板與異質絲材，其能量密度顯著偏低，熱輸入量相對較大，由此形成的熔池尺寸更大、深寬比更小，冷卻速率也相對遲緩。而上述熱源特性的差異化表現，也會對熔池的流動行為與凝固進程起到主導作用。表1對比總結了激光、電子束及電弧三種不同熱源在能量密度、沉積效率、設備價格、熔池尺寸、成分分辨率及材料適應性等方面的優劣。

表1不同熱源下異質熔絲增材制造的特點[36,46-47]

Table 1 Characteristics of heterogeneous wire-based additive manufacturing under different heat source[36, 46-47]

將異質熔絲AM技術拓展至水下、太空等極端環境，是實現裝備在役制造與原位修復的戰略前沿，但其可行性的核心挑戰，與單絲AM類似，主要取決于熱源形式與設備系統的復雜程度。在太空制造領域，由于高真空和微重力環境，能夠在真空中穩定工作的電子束和激光成為首選方式。在增材領域，當前研究已聚焦于利用這些技術進行在軌制造與修復，多材料部件在真空環境下的應用潛力巨大，例如可原位制造兼具結構支撐與熱防護功能的艙體部件。在水下制造領域，高壓水環境是主要挑戰。電弧因設備簡單和成本效益，在局部干法或排水罩等輔助措施下，電弧熱源成為水下修復及樣件制造的主流技術，而激光則因其精確可控性，在精密修復中展現出獨特優勢，對于多材料應用，其前景同樣廣闊，例如，可為海洋平臺制造耐磨耐腐蝕的多材料復合功能涂層。

當前，異質熔絲AM設備多是在傳統單熔絲設備改裝而成，尚處于實驗室探索階段，而該技術對于熔絲設備卻提出了特殊的要求，其主要挑戰在于構建一個能夠實現多材料在時序與空間上精確調控的執行系統，實現對多絲材協同工作、動態切換、送絲過程的精度與沉積過程穩定性的協調控制。在多絲材協同工作層面，裝備須具備對多路獨立送絲單元進行高動態控制的能力，除匹配送絲速度配比外，更是要實現基于預設材料成分模型的實時協同通訊，以確保在異質材料界面處形成可控的成分梯度。其次，設備還應保證高精度的絲材送入能力，以及過程自適應控制能力。這是因為為保證熔池冶金后的高成分精度，絲材送入量應嚴格控制，基于沉積過程時變性，還應配備在線監測及閉環控制能力，以實現成形過程穩定性。最后，當前設備主要是基于單熱源多絲材形式，未來如能根據材料特性配備不同熱源，并實現多打印頭連續按需連續切換，將對于提高異質熔絲AM多材料樣件的制造能力及裝備智能化水平具有重要意義。

3、異質熔絲增材制造多金屬構件與界面調控

3.1直連式多金屬構件制備

異質熔絲增材制造技術突破了傳統單絲沉積下只能制備勻質單材料構件的限制，通過按需切換使用不同絲材作為原材料可實現不同金屬材料的沉積，結合增材制造技術的“離散-堆積”原理，可以實現對任意位置不同金屬的沉積。理論上，通過精細控制絲材送入種類，可以實現“熔池級”的成分編程與控制，即可將成分細化至每一個熔池內。這對于精細控制樣件材料，實現金屬構件在不同部位下適用不同工況具有重大意義。目前，國內外研究學者已針對該技術開展了大量研究，具體介紹如下。

印度安那大學的Senthil等人利用電弧熱源實現了Inconel825與SS316L多材料金屬構件的增材制造，并詳細研究了兩金屬連接處的微觀組織演化、拉伸性能及顯微硬度，如圖3(a)所示。結果表明在界面位置處存在明顯的顯微硬度的變化，且Ni和Fe元素在界面位置處成梯度變化，展現了良好的連接性能[49]。近些年，本團隊也在電弧/電子束多金屬材料增材制造方面也開展了大量研究，具體如圖3(b)所示。例如，針對航空航天領域對于大型鈦合金結構件對于功能梯度的需求，本團隊前期發展了電弧多送絲增材制造裝備，并開展了TC11/TA15和TC4/TC11梯度樣件制備，闡明了其在航空航天領域的應用前景[50-52]。在TC11/TA15梯度材料制備中發現，從TA15到TC11，晶粒尺寸減小，并發生從柱狀晶到等軸晶的轉變。合金元素含量在短距離內發生顯著變化，突變區寬度為800μm。TA15和TC11區域均呈現由α相和β相組成的網籃狀組織。然而，在從TA15到TC11的過渡過程中，α板條細化，導致顯微硬度增加。在TC4/TC11梯度樣件制備中，詳細研究了后熱處理對于沉積樣件的調控作用，結果表明在直接過渡的樣品中，更高的熱處理溫度和更長的保溫時間使成分和微觀組織更加均勻。并且熱處理后，梯度樣件界面形貌變得愈發不明顯，且界面的橫向延伸率因兩種材料的應變補償而得到提高。另外，在多鈦合金結構增材制造方面，吉林大學張志輝教授團隊也利用電弧異質熔絲增材制造技術開展了TC4/TC11構件研究[53]。除此以外，在鈦合金與其他高溫合金多材料構件領域本團隊也進行了諸多探索性研究，例如TA15/Hf、TA15/Nb及TA15/Ti2AlNb等，研究結果表明在界面位置由于高溫合金較高的熔點較易導致鈦合金塌陷行為，通過輔以熱絲技術，可有效減小熱源熱輸入并保證高溫合金絲材順利熔化，最終相關樣件可被成功制備，如圖3(b)所示。加拿大安大略省理工大學Tenuta等人利用電弧異質熔絲增材制造技術制備了不銹鋼(AISI410)和低碳鋼(ER70S-6)的多材料樣件，并且設計了不同的打印連接策略，對樣件界面處的微觀組織及力學性能進行了對比分析[54]。葡萄牙里斯本新大學Oliveira等人基于該技術制備了從高強度鋼到銅鋁合金的多金屬樣件，結果表明所制備的樣件無明顯缺陷且界面區域具有優異的高強度和延展性，抗拉強度在高達690 MPa的同時延伸率還能保持16.6%，有效證明了異質熔絲增材制造技術在制備多金屬構件方面的潛力，具體如圖3(c)所示[55]。

另外，值得一提的是美國華盛頓州立大學Bandyopadhyay等人還基于仿生原理，利用電弧異質熔絲AM技術制備了徑向雙金屬仿生結構，具體如圖4所示，該結構芯部為308L不銹鋼，外部為ER70S-6低碳鋼[57]。研究結果表明這種雙金屬結構的機械互鎖效應會形成一種預壓應力效應，且該結構力學響應優于單質材料，具體的該雙金屬結構的抗壓強度較單質金屬增長了 33%至 42%。該研究探索性的進行了多金屬結構設計并驗證了加工的可行性，在一定程度上挖掘了異質熔絲AM技術在復雜多金屬結構加工的可行性。

為充分發掘電弧異質熔絲AM技術絲材方便調控的潛力，印度理工學院Srivastava等人還制備了逐層切換式SS316LSi和ER70S-6多金屬構件，如圖5(a)所示[58]。該研究詳細分析了不同位置處的微觀組織演化及力學性能演化規律，研究結果表明不同位置處的顯微組織存在明顯的各向異性，且異質交界面由于鉬和鉻元素的擴散使得顯微硬度明顯增加，拉伸結果表明斷裂位置主要位于ER70S-6一側。本研究為多金屬構件的多樣化用途及高強度鋼的沉積成形提供了一種新型策略。類似的，上海交通大學趙國平等人還利用該技術制備了Al-Cu/Al-Si逐層切換式多金屬構件，具體如圖5(b)所示[59]。

除上述研究外，異質熔絲增材制造技術還在Mo-Ta-W[60]、Inconel625-SS312[61]、Inconel 625-316L[62]、Inconel 625-HSLA[63]、SS316L-Cu[64]及Inconel 625-308L[65]等多金屬構件有所報道。但是目前相關研究所成形多金屬樣件結構相對簡單，除上述介紹徑向雙金屬構件外，其余研究多是基于薄壁構件的基礎成形工藝、界面組織演化及力學性能研究，關于異質熔絲增材制造技術在高成分設計自由度及調控下的優勢還亟需進一步挖掘。

3.2異質金屬界面調控

異質金屬增材制造目前的主要難點是異質金屬間的界面調控，直接連接式多金屬構件在接觸面位置存在著劇烈的成分、性能與微觀組織的變化，而界面的力學特性又是決定多金屬構件整體服役性能的關鍵[66-68]。因此，對異質金屬界面進行調控是解決多金屬構件服役性能的主要研究重點。目前異質金屬界面調控的核心難點主要體現在如下兩個方面:一方面，異質金屬間物理化學性質的根本差異(如熔點、熱導率及膨脹系數等)極易導致異質界面位置處在增材沉積往復循環溫度場下存在較大熱應力，從而導致構件變形、開裂甚至成形失效[69,70];另一方面，部分異質金屬在增材沉積的冶金過程中極易在熔池凝固過程析出金屬間化合物，尤其連續分布時極易成為裂紋源，影響異質界面的結合強度[71,72]。目前，國內外研究學者也針對異質界面的連接難題，開展了大量的研究。

例如，前面介紹的加拿大安大略省理工大學Tenuta等人在進行電弧異質熔絲沉積不銹鋼(AISI41)和低碳鋼(ER70S-6)多材料制備時，還詳細研究了不同打印策略下異質金屬界面的微觀組織演化及力學行為，具體沉積路徑、沉積樣件及界面金相如圖6所示[54]。研究結果表明三種不同路徑下的力學性能差異性并不顯著，但在異質界面的微觀組織方面卻存在較大差異。例如，路徑一沉積下在稍遠離界面位置處主要是細晶針狀鐵素體/貝氏體，而在路徑二、三中在相關區域主要是由針狀鐵素體和貝氏體/馬氏體組成。而經成分分析發現路徑一下鉻濃度分布隨距界面距離的增加而逐漸下降，而路徑二、三沉積下則呈階梯式下降趨勢。這也顯著證明了沉積路徑對于異質界面的調控效應。

本團隊前期在進行電弧異質熔絲鈦合金多材料構件增材制造時，也開展了異質界面調控研究。如圖7(a)所示[50]。兩種鈦合金之間的過渡層由一層逐漸過渡至三層，且兩種材料的成分比也按比例變化，例如一層過渡層下的TC4與TC11的占比各50%，而三層過渡下兩材料占比下則梯度增加或減少。結果表明隨著過渡層數的增加過渡區域尺寸也逐漸增加，界面位置處的微觀組織更加均勻且界面形貌差異性也變小，另外，與微觀組織相對應的，界面的抗拉強度也由約770MPa增加至830MPa。天津理工大學田銀寶等人為解決TC4與316L多金屬構件增材制造連接難題，基于該技術進一步采用了更多過渡層的方案，具體由第一層下的5at%含量的Fe逐漸過渡至十三層下的65at%含量的Fe，如圖7(b)所示[73]，充分發掘了異質熔絲AM技術在成分調控方面的優勢。與之類似的，天津大學王志江等人利用電弧異質熔絲增材制造技術制備了具有薄壁結構的IN625/Ti6Al4V的功能梯度材料，具體如圖7(c)所示，通過設計不同沉積層下異質絲材的送入配比實現多成分組成樣件的制造，并詳細研究了不同成分組成下的微觀組織及物相組成，并揭示了其對顯微硬度及力學性能的影響規律[65]。

在逐層梯度過渡的基礎上，韓國國立昌原大學又進一步提出采用超聲振動輔助電弧異質熔絲的方式用于制備逐層過渡式Inconel718和308L雙金屬構件，具體如圖8所示[74]。經與無超聲工藝下對比表明，經過超聲振動的多金屬樣件晶粒尺寸及均勻性均得到改善，界面位置化學成分過渡更加平滑。并且，力學性能表征結果表明超聲振動后抗拉強度略有增高，但延伸率則存在降低趨勢，主要原因便是超聲振動使得柱狀晶細化后各項異性減弱。同時晶粒細化后還使得界面位置處的硬度呈現上升趨勢，結果表明經超聲處理后各層的硬度百分比增幅分別為7%、9%、10%、12%和15%。

當前，多金屬構件界面調控形式相對簡單，多為上述介紹的逐層過渡式制備方式。但異質熔絲增材具備充分的成分及結構設計自由度，如何通過結構設計及成分設計增加界面強度及延展率是界面調控方面著重解決的挑戰。

3.3梯度漸變式多材料構件制備

異質熔絲增材制造技術由于其不再局限于使用預合金絲材，而是可將多種元素或合金絲材作為“原料”，因此除了可以直接進行上述的多金屬材料的增材制造外，還可在熔池中同步送入異種絲材并引發原位冶金反應生成新型合金，例如3.2節所介紹的逐層調控方式。如果將逐層調控方式進一步拓展，將直接制備梯度漸變式多材料，這使得材料的原位合成與構件的近凈成形能夠同步完成，真正實現“材-構一體化”的制造理念，如圖9所示。該技術可以實現對熔池成分的精確調控，而調控的關鍵變量正是各絲材的送進速度比。在功能梯度材料制造方面，該技術能夠通過連續改變送絲比例，制造出連續成分漸變、性能過渡平滑的梯度結構，實現功能梯度零件的直接一體化增材制造。

早在2015年，印度理工學院Somashekara M.等人便利用電弧異質熔絲增材制造技術進行了硬度梯度漸變零件的制備，具體通過控制沉積過程中ER70S-6及ER110S-G兩種絲材的送絲速度比，制備出成分梯度變化的零件，從而實現硬度梯度變化，如圖10(a)所示，結果表明所制備零件的實際硬度與兩絲材送入比呈明顯規律性，且沉積樣件的顯微硬度具備良好的預測性[24]。與之類似的，臥龍崗大學Pan等人也通過電弧異質熔絲增材制造技術實現了成分漸變的TiAl梯度合金，實現了由純Ti往Ti-50Al(at%)的連續梯度漸變[27]。另外，該團隊還進一步開展了Fe-FeAl連續梯度漸變多金屬樣件的制備，如圖10(b)所示。研究結果表明所制備樣件的實際成分與設計成分差值較小，且成形樣件致密度極好，充分證明了異質熔絲AM技術在多金屬構件制造方面的潛力[75]。

通過上述分析可知，異質熔絲AM技術的核心優勢在于實現了“成分-結構-性能”的一體化。傳統連續成分漸變樣件的制造工藝流程長、梯度控制精度有限，且難以實現復雜構件的直接成形。相比之下，異質熔絲技術通過實時、精確地調控多種絲材的送進速率，能夠在三維空間內對熔池的化學成分進行動態編程，從而實現成分從宏觀到微觀尺度的連續、平滑過渡。因此，該技術為航空航天、生物醫療等領域對構件不同部位提出差異化性能要求的極端應用場景，開辟了一條高效、低成本且高度靈活的全新制造路徑。

4、異質熔絲材料原位合成與過程調控

4.1異質熔絲過程冶金及影響因素

異質熔絲AM技術在多材料構件的制備中的突出優勢在于原位冶金材料合成，無論是兩金屬之間的梯度過渡界面或梯度過渡多金屬樣件，這都是傳統加工難以實現的，但原位冶金生成新材料也成了其關鍵挑戰。大量研究表明在異質熔絲沉積樣件中極易產生相關冶金缺陷問題，如在與本研究領域研究類似的異質熔絲TiAl報道中及本團隊在前期制備Ti2AlNb時均發現有大范圍的成分偏析現象，嚴重影響沉積樣件質量與性能[19,76]。目前，該技術所面臨的挑戰主要可以總結為如下兩點:一方面，異質熔絲沉積過程中熔池高瞬態特性極易使得異質元素擴散不足，從而造成沉積樣件內存在大量成分偏析現象[39,77];另一方面，與傳統單絲增材制造相比，異質絲材間顯著的物性參數差異或送絲速度不一致引發的復雜熔滴過渡模式使得該技術面臨沉積過程穩定性差、可重復差及成形質量差的挑戰，極易導致液滴飛濺、粘絲等問題，從而影響成分準確性及成形過程穩定性[78]。

與之對應的，異質熔絲AM沉積過程主要包含“熔滴冶金區”及“熔池冶金區”兩大冶金過程，如圖11所示。其中，“熔滴冶金區”主要是指異質絲材熔化后在液滴存在的短暫的冶金過程，其能夠在某種程度上延長冶金時間窗口，且保證異質元素的準確添加。“熔池冶金區”的主要是指異質元素進入熔池后所發生的冶金反應，因為在材料原位合成過程中類似于熔池“微鑄造”過程，“熔池冶金區”的持續時間和內部對流模式也是決定原位冶金質量的關鍵因素之一。因此，國內外諸多學者針對異質熔滴過渡模式及熔池也進行了大量的研究及過程調控。

4.2異質熔絲增材制造過程穩定性

與預合金式單絲AM技術相比，異質熔絲AM在邁向工業化的過程中面臨著更為嚴峻的挑戰。在這些挑戰中，過程穩定性構成了制約其技術發展的核心瓶頸之一。這是因為成形過程的穩定性不僅直接決定了樣件的成形精度、組織均勻性與成分精準性及勻質度，還深刻影響著樣件的力學性能，并最終決定了整個技術體系的可靠性與可重復性。

從技術角度分析，異質熔絲AM沉積過程中的穩定性問題可劃分為固有原因和特有原因兩個層面。固有原因與其他常見的AM方式類似，主要包括工藝過程復雜、工藝參數繁多、工藝窗口窄以及固有的時變性特征。鑒于這些原因已在相關文獻中被廣泛討論，本部分將不再展開。本部分重點關注的是由異質熔絲AM技術自身特點所衍生的特有原因，這些原因主要可被系統性地總結為:多絲材送入過程的復雜性、“熔滴冶金”過程的內在不穩定性以及“熔池冶金”過程的動態時變性。

一方面，多絲材送入過程的復雜性是穩定性的首要挑戰。通常情況下，為保證原位合成材料的成分精確性，工藝上通常需要采用不同類型、送進速度乃至直徑的絲材。在相同的熱輸入下，不同物理屬性的絲材其熔化行為及熔滴過渡行為會產生巨大差異。熔絲沉積過程中的傳質過程對熔滴過渡模式極為敏感，大液滴式過渡模式極易導致金屬飛濺，影響成分精度，而插入式過渡模式則容易引起粘絲，破壞送絲穩定性。因此，異質熔絲AM中復雜、多變的熔滴過渡模式，使得沉積過程中的物質傳遞過程變得極不穩定。

另一方面，“熔滴冶金”過程的內在不穩定性是關鍵制約。共熔滴模式下的小液滴過渡被認為是實現異質熔絲AM穩定傳質及過程冶金的最優路徑，因為它既能保證“熔滴冶金”反應區的存在，又能維持傳質過程的連續性與穩定性。然而，在沉積過程中，這種理想的過渡模式通常難以長時間維持。隨著零件幾何構型的不斷變化和熱累積效應的持續增強，初始設定的穩定工藝參數會逐漸偏離其最佳工作區間，從而導致熔滴從穩定的過渡狀態失穩，進入不穩定的過渡模式。

最后，“熔池冶金”過程的動態時變性進一步影響著沉積過程中的穩定性。異質熔絲AM過程涉及熔池內的冶金反應，但熔池的尺寸并非恒定，其時變性的核心在于熱輸入與散熱之間的動態失衡。后續沉積層對前一層造成的反復熱累積，使基體溫度持續升高。同時，零件幾何構型的實時變化也不斷改變著散熱條件。當熔池尺寸因熱輸入過剩而過大時，會導致熔池流淌，破壞成形精度，反之，當熔池因散熱過快而過小時，又會造成元素擴散不充分，影響界面結合質量。這種難以預測的熔池尺寸波動，對最終構件的成形質量構成了直接威脅。

4.3異質熔滴過渡模式調控

在異質熔絲增材制造過程中，為保證高熔點或高送絲速度絲材的順利熔化，熱源功率通常設置為較大值，但熔點較低或送入速度較慢的絲材通常在該熱輸入下易產生過熱行為從而較難進入熔池中心，并造成液滴飛濺現象。尤其是對于激光和電子束較高能量密度的熱源，低熔點絲材極難送入熔池中，通常在遠離熱源中心的位置便達到熔點并開始熔化，同時在金屬反沖壓力的作用下產生振蕩，而后滴落至熔池，極大影響成形過程中的成分精度。例如，本團隊在利用電子束熱源及TiNb和Al絲進行異質熔絲沉積時，發現Al絲較難進入熔池，后經模擬仿真發現雖然Al絲送絲速度較慢，但其仍比TiNb絲先達到熔點，且距離熔池中心位置較遠，圖12給出了不同時刻兩種絲材的溫度分布，可以看出Al絲在距離熔池中心較遠位置處便到達了熔點，而在真實沉積過程中便會導致大液滴式過渡，影響傳質穩定性。因此，如何保證各異質絲材的順利送入熔池是當前研究的目標之一，且目前行業內普遍認為在熔池上方形成共液滴后再過渡進熔池的“共熔滴過渡”模式更有利于成分的均質化。另外，增材制造過程中的時變性還易導致沉積層高難以維持在恒定值，從而使得最優熔滴過渡難以保持，造成沉積過程中的穩定性變差，尤其是熔滴過渡距離較大時仍會產生大量液滴飛濺，影響成分準確性及樣件成形質量[79,80]。因此，調控異質熔滴過渡模式并維持其穩定性是該技術當前的研究熱點之一。

目前，國內外研究學者主要通過調控異質絲材的類型、送入角度和送入方式等策略保證異質絲材的順利送入，從而保證成形質量及成分準確性。例如，溫州大學陳希章等人為簡化電弧異質熔絲沉積工藝過程采用了“線纜型”絲材進行高熵合金的原位合金化沉積[81]，這在很大程度上減少多種異質絲材協同送入的復雜性，但也在某種程度上增加了原材料制備的成本且犧牲了成分靈活性。哈爾濱工業大學林三寶等人在進行電弧異質熔絲沉積制造TiAl合金時，為保證單熱源下物性參數差異較大的Ti、Al絲可以協同送入熔池，采用了兩絲材以極大角度差送入的策略，如圖13(a)所示。這主要考慮到電弧熱源能量密度相對較小，其中高熔點絲材被放置于更靠近熱源高溫區，而低熔點絲材則被放置于遠離熱源高溫的區域[78]。另外，該單位的王亮等人在采用電子束異質熔絲技術進行高熵合金TiZrNbHf原位制備時，亦發展了雙絲共點送入模式，即將異質絲材的送入相交點匯于熱源正下方，從而保證了異質絲材的穩定送入過程[82]。電子束熔化金屬的原理主要是將高速運動的電子的動能轉化為熱能，因此被置于高熔點絲材下方的低熔點金屬通常難以被電子直接撞擊，所以不能被電子束直接作用，而是在高溫液滴的作用下進行熔化，從而可以保證低熔點絲材的順利熔化及送入。本團隊前期也對電子束異質熔絲沉積制造Ti2AlNb合金的熔滴過渡過程展開了詳細研究，結果表明傳統分離式送絲方式下，較大的物性參數差異使得兩絲材以各自的熔滴過渡模式進入熔池，且在空間上存在較大位置差異，導致沉積樣件存在成形形貌差、成分偏析及力學性能差等問題。隨后，基于絲材特性本團隊提出了平行式送絲方法，即將TiNb絲和Al絲以平行的姿態送入熔池，結果表明低熔點絲材在高熔點絲材的遮擋下可以與高熔點絲材以共熔滴的模式過渡到熔池[20]。上述已報道方法主要通過調控絲材受熱而控制其熔化過程，從而實現調控其過渡行為的目的，但是由于目前各絲材的巨大差異及使用多樣性，并未形成關于異質熔滴過渡的統一調控方法，但穩定的送絲過程是促進異質元素均勻擴散并提升異質構件成形精度與性能的關鍵保障。

在保證異質絲材順利過渡到熔池的基礎上，如何維持液滴過渡的穩定性是另一主要挑戰，這是因為沉積制造過程中漸變的層高極易使得熔滴過渡距離產生變化。目前，通過在線檢測及實時閉環控制液滴過渡距離是熔絲增材制造領域調控液滴過渡的有效手段，閉環控制通過實時監測熔滴形態與過渡頻率，動態調節工藝參數，可強制熔滴穩定過渡，確保熔池冶金過程可控。這是實現異質材料精確成形、保證界面結合強度與構件性能一致性的核心技術保障。但目前大部分研究均是基于傳統單絲增材制造[42,83,84]，而對于異質熔絲增材制造由于較多的絲材數量及不同絲材之間不一致的過渡模式使得研究十分有限。據不完全統計，目前僅有本團隊基于前期提出的平行式送絲方式初步實現了異質熔滴過渡的實時在線監控。如圖14所示，通過機器視覺的方法對沉積過程中的熔滴過渡距離進行實時提取，并發展了復合式圖像處理方法，通過實時提取液滴中心位置及熔池中心位置，可獲得熔滴過渡距離。同時發展了在線控制系統，并完成了系統集成，具體人機交互界面如圖14所示。最后，通過在線調整送絲機構與熔池之間的相對位置關系，從而保證每一沉積層下異質熔滴的穩定性[72]。結果表明，所開發的共熔滴閉環控制系統在多層樣件的沉積過程中展現了良好的魯棒性和實用性，每層中熔滴過渡距離可以良好地控制在目標值，極大的提高了沉積過程中的穩定性。

4.4熔池熱質行為調控

如上所述，“熔滴冶金”的調控雖是減緩冶金缺陷的有效手段，但調控過程卻較為困難。一方面，共熔滴存在時間極短:熔絲增材以“液橋”或“小液滴”模式為最穩定的傳質模式，過渡時間極短，而時間更長的“大液滴”模式卻極易產生飛濺，影響成分精準性。另一方面，共熔滴形成條件極為苛刻:絲材物性參數、送絲速度差異及增材過程的時變性使得“熔滴冶金”存在穩定性極差。雖然可以通過有效手段得以緩解，但異質熔絲增材過程更類似于熔池“微鑄造”過程，“熔池冶金區”的持續時間和內部對流模式也是決定原位冶金質量的重要環節，因此國內外研究學者也針對熔池內部的熱質行為展開了研究。

清華大學常保華等人在利用電子束異質熔絲AM技術原位冶金成形NiTi合金時，發現采用熱源高速掃描的方式可以促使熔池內液體流動，從而加速異質元素之間的擴散，提高成分的一致性。研究結果表明所沉積的NiTi樣件有著良好的成分一致性，且力學性能優異[85]，如圖15(a)所示。這主要是由于電子束較高的能量密度及沉積過程中的高真空環境，使得在熔絲沉積過程中金屬反沖壓力作用明顯，因此當電子束進行高速掃描時會在熔池內部亦存在高速掃描的作用力，從而對熔池起到原位“攪拌”作用，促使熔池內部液體流動，促進異質元素對流與擴散。本團隊在前期利用TiNb絲與純Al絲進行Ti2AlNb原位合成時，為獲得較長的熔池冶金持續時間，還采用超低頻脈沖電弧熱源獲得了“扁平化”熔池，實現了一維棒狀樣件的堆積，促使異質元素充分混合，雖犧牲了成形自由度，但有效證明了熔池調控的有效性[48]，如圖15(b)所示。電弧異質熔絲增材過程中可采用低頻脈沖式工作方式，其中基值電流下主要負責維持熔池的整體熱輸入，確保其持續存在，并完成絲材熔化，而峰值電流則可在較大電弧力的作用下實現熔池的鋪展，形成“扁平化”的熔池，促進熔池內部的元素均勻化。

在上述研究基礎上，本團隊又進一步提出了交替脈沖電子束(能量配比、交替頻率及工作距離)的方式用于調控熔池熱質行為，即通過電子束在偏轉線圈的作用下實現熱源的快速擺動，其中主束流主要用于形成熔池并熔化絲材，子束流主要工作在熔池尾部，對于熔池特性進行調控，但是兩熱源以共熔池方式工作，如圖16所示。結果表明該新型熱源可以對熔池溫度場、流動模式及持續時間進行靈活調控，尤其是在金屬反沖壓力的交替作用下使得熔池內部存在往復流動的工作模式，對于促進元素擴散十分有益。通過該新型熱源的調控下，所沉積的Ti2AlNb樣件具備良好的成分均勻性，且致密度也得到了較大程度的提高，力學性能也可達到與鑄件相當的程度[77,86]，不同參數下熔池形貌及溫度場分布如圖17所示。基于該技術，本團隊進一步通過在線調整兩束流直接的相對位置關系，實現了熔池穩定性控制，有效滿足了不同送絲速度、不同異質材料及不同工藝參數下的熔池冶金需求，也將交替脈沖電子束推廣成了異質熔絲增材領域熔池調控的普適性技術。

5、面臨挑戰與發展趨勢

異質熔絲增材AM技術突破了傳統加工方式在多材料構件成形過程中的局限，在成分設計及結構設計方面展現了巨大的優勢，有望為多材料構件的成形制造提供一種新的范式。然而作為一項新興技術，該技術目前還面臨諸多困難或技術難點亟需解決，具體介紹如下:

(1)成分分辨率不足。通常條件下，異質熔絲AM技術通常以“熔池”為成分區分單元，在激光、電子束或電弧熱源沉積條件下，熔池通常在厘米級，其中寬度約為7-15mm，而長度約為10-25mm。因此，通過熔池進行成分調控通常使得成分區分界線不明確。因此如何減小熔池尺寸，提高成分分辨率是該技術的重點發展方向之一。

(2)成形樣件及成分變化簡單。雖然異質熔絲增材制造技術在成分設計及結構設計方面展現了巨大的優勢，但是當前研究位于起步階段，仍以工藝探究下的薄壁樣件為主，且界面設計也多為梯度漸變式，設計簡單。如何發掘該技術在多金屬構件加工方面的優勢是該技術需要發展的方向。

(3)成形過程復雜且穩定性差。異質熔絲過程絲材過渡復雜、工藝參數眾多且過程時變，導致該技術沉積過程穩定性較差，從而使得沉積樣件成分精度、均勻性及成形質量面臨巨大挑戰。因此發展異質熔絲沉積過程在線監測及閉環控制技術，提高沉積過程穩定性是該技術亟需發展的另一重要方向。尤其是近些年人工智能技術的快速發展，對于提高過程魯棒性，精準識別熔池、熔滴過渡等復雜動態特征，并預測潛在缺陷具有重要意義，是推動該技術走向工業化、實現高穩定性及高成形質量的關鍵賦能技術。

異質熔絲AM技術雖因其高材料利用率及有效功能梯度沉積效率展現出巨大潛力，但實現其工程應用仍面臨挑戰。從技術成熟度(TechnologyReadiness Level,TRL)來看，該技術目前整體處于實驗室驗證階段(TRL3-4)，主要集中于工藝可行性驗證、熔池內原位冶金反應機理的基礎探索以及沉積試樣宏觀性能的表征。盡管原理已經得到證實，但距離形成穩定、可靠、可重復的標準化工藝規范尚有較大差距。相比之下，異質送粉技術雖成本相對高昂，但在航空航天等領域的原型驗證已先行一步，達到了更高的TRL級。這種成熟度差距揭示了異質熔絲技術未來的核心發展方向，應著力攻克高精度多絲協同控制、熔池冶金過程精確調控及智能裝備等關鍵瓶頸，才能推動技術從實驗室走向工程應用，真正發揮其顛覆性潛力。

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（注，原文標題：異質熔絲增材制造多材料構件研究進展_李自祥）