面向高端裝備的異質(zhì)熔絲增材制造功能梯度材料研究進(jìn)展，綜述絲材同步送進(jìn)原位冶金成分連續(xù)漸變技術(shù)，揭示組織-性能演化規(guī)律及界面強(qiáng)韌化機(jī)制，指出成分分辨率與穩(wěn)定性瓶頸

1、引言

在全球制造業(yè)持續(xù)高速演進(jìn)的背景下，市場(chǎng)對(duì)具備高性能、輕量化與多功能特性的金屬構(gòu)件提出了愈發(fā)迫切的要求[1-3]。多金屬材料構(gòu)件因其能夠?qū)⒉煌M元材料的屬性進(jìn)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(lǐng)域的應(yīng)用前景極為廣闊[4,5]。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其關(guān)鍵部件通常需實(shí)現(xiàn)耐高溫合金與高韌性結(jié)構(gòu)材料的可靠結(jié)合，這對(duì)于金屬構(gòu)件的加工提出了更高的要求[6]。當(dāng)前此類構(gòu)件的生產(chǎn)制造仍主要沿用熔焊、釬焊、擴(kuò)散焊及機(jī)械連接等傳統(tǒng)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(xiàn)代制造業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)一體化與性能定制化的需求。因此，探索并開發(fā)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(yè)突破發(fā)展的核心瓶頸。

增材制造技術(shù)(additive manufacturing,AM)，作為一項(xiàng)基于“離散-堆積”原理而興起的顛覆性制造范式，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成形、縮短研發(fā)周期及小批量柔性化生產(chǎn)等方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)[10-15]。其中，異質(zhì)(兩種及以上)熔絲增材制造作為AM的一項(xiàng)前沿分支，為多材料構(gòu)件的加工制造帶來了新的契機(jī)[16-19]。該技術(shù)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(xié)同的方式送入熔池，并通過調(diào)控各絲材的送進(jìn)速度比，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積層化學(xué)成分的精準(zhǔn)控制[20-22]。這一技術(shù)為多材料構(gòu)件的制造開辟了全新的路徑，其應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)層面:

一方面，該技術(shù)可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)多材料構(gòu)件的“一體化”直接連接成形。通過在預(yù)設(shè)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(shí)現(xiàn)特定區(qū)域的材料更換，從而實(shí)現(xiàn)多材料構(gòu)件的沉積制造。與粉末床式多材料AM技術(shù)相比，異質(zhì)熔絲AM避免了材料切換過程中復(fù)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(fēng)險(xiǎn)。該技術(shù)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(yōu)勢(shì)，更實(shí)現(xiàn)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(shù)在工藝簡(jiǎn)便性與經(jīng)濟(jì)性上的雙重優(yōu)勢(shì)，使其在制造大型、高性能異質(zhì)材料構(gòu)件方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[23,24]。另外，與異質(zhì)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(yōu)勢(shì)外，異質(zhì)熔絲式AM技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)成分的精準(zhǔn)控制，這是因?yàn)楫愘|(zhì)絲材送入速度可以準(zhǔn)確設(shè)定并從理論上實(shí)現(xiàn)絲材的完全送入，而異質(zhì)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(zhǔn)確性方面略顯不足。但是，異質(zhì)熔絲增材在熔池尺寸方面要遠(yuǎn)大于粉末式AM方式，故在成分分辨率方面存在較大挑戰(zhàn)，主要適用于較大尺寸的多材料構(gòu)件。另外，異質(zhì)絲材間物性參數(shù)差異、不穩(wěn)定的傳質(zhì)模式及過程時(shí)變性還使得該技術(shù)面臨著過程穩(wěn)定性差、樣件成形質(zhì)量差的技術(shù)瓶頸。科學(xué)方面，異質(zhì)熔絲AM技術(shù)在多物理場(chǎng)共同作用下，熔池的宏觀流體動(dòng)力學(xué)如何與熔滴的動(dòng)量、熔化及界面行為耦合尚待解決，因?yàn)檫@不但決定溶質(zhì)元素的混合效率、成分勻質(zhì)化與精準(zhǔn)化，也是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的關(guān)鍵。另一方面，不同于傳統(tǒng)的機(jī)械連接或焊接工藝，異質(zhì)熔絲AM技術(shù)特有的“熔池”冶金結(jié)合特性，為緩解異種材料連接中常見的界面應(yīng)力集中、結(jié)合強(qiáng)度不足等問題提供了新的解決方案[25, 26]。這是因?yàn)楫愘|(zhì)熔絲AM技術(shù)使得多材料之間的連接實(shí)現(xiàn)了從突變到梯度的轉(zhuǎn)變，通過原位、動(dòng)態(tài)的改變連接位置處的化學(xué)成分，可構(gòu)建一個(gè)成分和性能連續(xù)變化的梯度過渡區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)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(yīng)力集中問題。這為材料界面的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與宏觀性能優(yōu)化提供了良好的自由度，這對(duì)于提升構(gòu)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(zhì)熔絲AM技術(shù)開創(chuàng)了新材料“原位合成”與成分“連續(xù)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(shù)還能夠?qū)⒍喾N元素或合金絲材同步送入熔池，利用熔池內(nèi)的高溫環(huán)境及強(qiáng)烈對(duì)流引發(fā)原位冶金反應(yīng)，直接“打印”出具有特定性能的新型合金。更進(jìn)一步地，通過連續(xù)、動(dòng)態(tài)地調(diào)整送絲比例，可以在一個(gè)構(gòu)件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)化學(xué)成分與力學(xué)性能的連續(xù)梯度過渡，實(shí)現(xiàn)功能梯度材料的一體化制造，給多金屬構(gòu)件的加工制備提供了新的范式及新的方向。這為應(yīng)對(duì)航空航天、能源裝備、生物醫(yī)療及汽車工業(yè)等領(lǐng)域中極端工況提供了極具潛力的解決方案。在航空航天領(lǐng)域，該技術(shù)可用于臨近空間飛行器組合發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室耐熱材料與冷卻輕質(zhì)材料的一體化構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)輕量化與耐高溫的功能集成。在能源裝備領(lǐng)域，該技術(shù)可有效就解決復(fù)雜工況(如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕)下的多材料復(fù)合部件的制造需求。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，該技術(shù)可靈活實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)、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(fù)雜需求。因此異質(zhì)熔絲AM技術(shù)催生了新一代高性能、多功能構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造契機(jī)。然而，該技術(shù)轉(zhuǎn)化為可靠的工程應(yīng)用仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。異質(zhì)絲材間物性參數(shù)差異、復(fù)雜的工藝參數(shù)及沉積過程時(shí)變性，極易導(dǎo)致過程穩(wěn)定性差、沉積樣件成分組織不均勻及成形質(zhì)量差等問題，是推動(dòng)該技術(shù)走向工業(yè)化必須攻克的關(guān)鍵難題。

目前常見多金屬結(jié)構(gòu)件的組合方式總結(jié)如圖1所示。傳統(tǒng)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(duì)于異質(zhì)熔絲AM技術(shù)更加容易實(shí)現(xiàn)，即通過直接切換送入絲材種類即可完成直接連接式構(gòu)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(zhì)熔絲AM技術(shù)還可利用上述提到的多絲材原位合成技術(shù)通過控制各絲材的送入比例實(shí)現(xiàn)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(tǒng)加工方法對(duì)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(zhàn)，甚至于難以加工。而異質(zhì)熔絲AM的技術(shù)則可輕易實(shí)現(xiàn)對(duì)于上述組合方式的加工。

近些年，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)異質(zhì)熔絲AM技術(shù)在多材料沉積方面開展了大量的研究，為高性能多金屬構(gòu)件的制造奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)儲(chǔ)備。本文旨在對(duì)該領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)性梳理。首先，深入剖析了異質(zhì)熔絲AM技術(shù)的核心原理與關(guān)鍵裝備;其次，系統(tǒng)性地總結(jié)了該技術(shù)在多金屬材料構(gòu)件制備方面的最新研究現(xiàn)狀與代表性成果;在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡明并深入分析當(dāng)前面臨的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn);最后，對(duì)該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)與潛在研究方向進(jìn)行前瞻性探討，以期為相關(guān)領(lǐng)域的后續(xù)研究提供有價(jià)值的參考。

2、異質(zhì)熔絲增材制造技術(shù)原理與裝備

異質(zhì)熔絲AM技術(shù)是在傳統(tǒng)單熔絲技術(shù)上發(fā)展出的一種新型AM技術(shù)，其特色是可以在共熱源下分時(shí)段或者同時(shí)送入兩種以上的絲材，該技術(shù)在繼承了熔絲AM技術(shù)高理論沉積效率及高材料利用率的基礎(chǔ)上，還可實(shí)現(xiàn)多材料構(gòu)件以及材料的原位制備，有望實(shí)現(xiàn)材料制備及結(jié)構(gòu)制造的一體化。異質(zhì)熔絲AM系統(tǒng)主要由多絲送入模塊、熱源模塊、運(yùn)動(dòng)臺(tái)及控制系統(tǒng)組成。目前，根據(jù)熱源類型的不同，主要可分為激光、電子束及電弧異質(zhì)熔絲AM技術(shù)三種，具體如圖2所示。

激光熱源具有束斑方便調(diào)控、工藝適應(yīng)性強(qiáng)及能量密度高的優(yōu)勢(shì)，在異質(zhì)熔絲AM領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，然而由于前期設(shè)備較電弧相對(duì)昂貴且設(shè)備復(fù)雜，目前在熔絲領(lǐng)域仍處于起步階段[31-34]。但隨著近些年國(guó)產(chǎn)激光器的普及以及市場(chǎng)價(jià)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(fā)展的激光同軸送入技術(shù)得到了諸多關(guān)注，該技術(shù)下絲材以垂直方式送入熔池，多束激光器則形成環(huán)形光斑的形式熔化絲材，其中激光異質(zhì)熔絲同軸送入的方式及設(shè)備如圖2(a)所示[35,36]。電子束異質(zhì)熔絲AM技術(shù)具有高真空環(huán)境、高沉積效率及高能量利用率的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為十分有利于異質(zhì)熔絲增材制造過程中的原位冶金。但是電子束設(shè)備相對(duì)復(fù)雜(如真空泵組、電子槍及高壓電源等)且價(jià)格昂貴，尤其是真空室受限的成形尺寸成為限制其廣泛應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)，然而近些年在異質(zhì)熔絲沉積領(lǐng)域也有著廣泛的報(bào)道[37-41]。電子束異質(zhì)熔絲AM技術(shù)具體原理及設(shè)備如圖2(b)所示。電弧異質(zhì)熔絲AM技術(shù)是基于傳統(tǒng)弧焊所發(fā)展而來的一種技術(shù)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單及價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)，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(zhì)熔絲AM領(lǐng)域，電弧仍被作為主流熱源在使用，其具體設(shè)備原理及實(shí)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(jī)制上也存在本質(zhì)性差異。其中，激光熱源利用高能激光束與金屬材料作用，實(shí)現(xiàn)材料的加熱及熔化，所形成的熔池冶金反應(yīng)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(huán)境下利用高能電子束轟擊金屬表面達(dá)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(diǎn)，不同于激光的是，電子束的真空氛圍能夠有效抑制熔池內(nèi)異質(zhì)金屬元素的氧化反應(yīng)，保障材料成分穩(wěn)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(zhì)絲材，其能量密度顯著偏低，熱輸入量相對(duì)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(duì)遲緩。而上述熱源特性的差異化表現(xiàn)，也會(huì)對(duì)熔池的流動(dòng)行為與凝固進(jìn)程起到主導(dǎo)作用。表1對(duì)比總結(jié)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(shè)備價(jià)格、熔池尺寸、成分分辨率及材料適應(yīng)性等方面的優(yōu)劣。

表1不同熱源下異質(zhì)熔絲增材制造的特點(diǎn)[36,46-47]

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

將異質(zhì)熔絲AM技術(shù)拓展至水下、太空等極端環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)裝備在役制造與原位修復(fù)的戰(zhàn)略前沿，但其可行性的核心挑戰(zhàn)，與單絲AM類似，主要取決于熱源形式與設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜程度。在太空制造領(lǐng)域，由于高真空和微重力環(huán)境，能夠在真空中穩(wěn)定工作的電子束和激光成為首選方式。在增材領(lǐng)域，當(dāng)前研究已聚焦于利用這些技術(shù)進(jìn)行在軌制造與修復(fù)，多材料部件在真空環(huán)境下的應(yīng)用潛力巨大，例如可原位制造兼具結(jié)構(gòu)支撐與熱防護(hù)功能的艙體部件。在水下制造領(lǐng)域，高壓水環(huán)境是主要挑戰(zhàn)。電弧因設(shè)備簡(jiǎn)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(fù)及樣件制造的主流技術(shù)，而激光則因其精確可控性，在精密修復(fù)中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)于多材料應(yīng)用，其前景同樣廣闊，例如，可為海洋平臺(tái)制造耐磨耐腐蝕的多材料復(fù)合功能涂層。

當(dāng)前，異質(zhì)熔絲AM設(shè)備多是在傳統(tǒng)單熔絲設(shè)備改裝而成，尚處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，而該技術(shù)對(duì)于熔絲設(shè)備卻提出了特殊的要求，其主要挑戰(zhàn)在于構(gòu)建一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)多材料在時(shí)序與空間上精確調(diào)控的執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多絲材協(xié)同工作、動(dòng)態(tài)切換、送絲過程的精度與沉積過程穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)控制。在多絲材協(xié)同工作層面，裝備須具備對(duì)多路獨(dú)立送絲單元進(jìn)行高動(dòng)態(tài)控制的能力，除匹配送絲速度配比外，更是要實(shí)現(xiàn)基于預(yù)設(shè)材料成分模型的實(shí)時(shí)協(xié)同通訊，以確保在異質(zhì)材料界面處形成可控的成分梯度。其次，設(shè)備還應(yīng)保證高精度的絲材送入能力，以及過程自適應(yīng)控制能力。這是因?yàn)闉楸ＷC熔池冶金后的高成分精度，絲材送入量應(yīng)嚴(yán)格控制，基于沉積過程時(shí)變性，還應(yīng)配備在線監(jiān)測(cè)及閉環(huán)控制能力，以實(shí)現(xiàn)成形過程穩(wěn)定性。最后，當(dāng)前設(shè)備主要是基于單熱源多絲材形式，未來如能根據(jù)材料特性配備不同熱源，并實(shí)現(xiàn)多打印頭連續(xù)按需連續(xù)切換，將對(duì)于提高異質(zhì)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(zhì)熔絲增材制造多金屬構(gòu)件與界面調(diào)控

3.1直連式多金屬構(gòu)件制備

異質(zhì)熔絲增材制造技術(shù)突破了傳統(tǒng)單絲沉積下只能制備勻質(zhì)單材料構(gòu)件的限制，通過按需切換使用不同絲材作為原材料可實(shí)現(xiàn)不同金屬材料的沉積，結(jié)合增材制造技術(shù)的“離散-堆積”原理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意位置不同金屬的沉積。理論上，通過精細(xì)控制絲材送入種類，可以實(shí)現(xiàn)“熔池級(jí)”的成分編程與控制，即可將成分細(xì)化至每一個(gè)熔池內(nèi)。這對(duì)于精細(xì)控制樣件材料，實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件在不同部位下適用不同工況具有重大意義。目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已針對(duì)該技術(shù)開展了大量研究，具體介紹如下。

印度安那大學(xué)的Senthil等人利用電弧熱源實(shí)現(xiàn)了Inconel825與SS316L多材料金屬構(gòu)件的增材制造，并詳細(xì)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(jié)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(xiàn)了良好的連接性能[49]。近些年，本團(tuán)隊(duì)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(duì)航空航天領(lǐng)域?qū)τ诖笮外伜辖鸾Y(jié)構(gòu)件對(duì)于功能梯度的需求，本團(tuán)隊(duì)前期發(fā)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(lǐng)域的應(yīng)用前景[50-52]。在TC11/TA15梯度材料制備中發(fā)現(xiàn)，從TA15到TC11，晶粒尺寸減小，并發(fā)生從柱狀晶到等軸晶的轉(zhuǎn)變。合金元素含量在短距離內(nèi)發(fā)生顯著變化，突變區(qū)寬度為800μm。TA15和TC11區(qū)域均呈現(xiàn)由α相和β相組成的網(wǎng)籃狀組織。然而，在從TA15到TC11的過渡過程中，α板條細(xì)化，導(dǎo)致顯微硬度增加。在TC4/TC11梯度樣件制備中，詳細(xì)研究了后熱處理對(duì)于沉積樣件的調(diào)控作用，結(jié)果表明在直接過渡的樣品中，更高的熱處理溫度和更長(zhǎng)的保溫時(shí)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(fā)不明顯，且界面的橫向延伸率因兩種材料的應(yīng)變補(bǔ)償而得到提高。另外，在多鈦合金結(jié)構(gòu)增材制造方面，吉林大學(xué)張志輝教授團(tuán)隊(duì)也利用電弧異質(zhì)熔絲增材制造技術(shù)開展了TC4/TC11構(gòu)件研究[53]。除此以外，在鈦合金與其他高溫合金多材料構(gòu)件領(lǐng)域本團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了諸多探索性研究，例如TA15/Hf、TA15/Nb及TA15/Ti2AlNb等，研究結(jié)果表明在界面位置由于高溫合金較高的熔點(diǎn)較易導(dǎo)致鈦合金塌陷行為，通過輔以熱絲技術(shù)，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(guān)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(xué)Tenuta等人利用電弧異質(zhì)熔絲增材制造技術(shù)制備了不銹鋼(AISI410)和低碳鋼(ER70S-6)的多材料樣件，并且設(shè)計(jì)了不同的打印連接策略，對(duì)樣件界面處的微觀組織及力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析[54]。葡萄牙里斯本新大學(xué)Oliveira等人基于該技術(shù)制備了從高強(qiáng)度鋼到銅鋁合金的多金屬樣件，結(jié)果表明所制備的樣件無(wú)明顯缺陷且界面區(qū)域具有優(yōu)異的高強(qiáng)度和延展性，抗拉強(qiáng)度在高達(dá)690 MPa的同時(shí)延伸率還能保持16.6%，有效證明了異質(zhì)熔絲增材制造技術(shù)在制備多金屬構(gòu)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(guó)華盛頓州立大學(xué)Bandyopadhyay等人還基于仿生原理，利用電弧異質(zhì)熔絲AM技術(shù)制備了徑向雙金屬仿生結(jié)構(gòu)，具體如圖4所示，該結(jié)構(gòu)芯部為308L不銹鋼，外部為ER70S-6低碳鋼[57]。研究結(jié)果表明這種雙金屬結(jié)構(gòu)的機(jī)械互鎖效應(yīng)會(huì)形成一種預(yù)壓應(yīng)力效應(yīng)，且該結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)優(yōu)于單質(zhì)材料，具體的該雙金屬結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度較單質(zhì)金屬增長(zhǎng)了 33%至 42%。該研究探索性的進(jìn)行了多金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了加工的可行性，在一定程度上挖掘了異質(zhì)熔絲AM技術(shù)在復(fù)雜多金屬結(jié)構(gòu)加工的可行性。

為充分發(fā)掘電弧異質(zhì)熔絲AM技術(shù)絲材方便調(diào)控的潛力，印度理工學(xué)院Srivastava等人還制備了逐層切換式SS316LSi和ER70S-6多金屬構(gòu)件，如圖5(a)所示[58]。該研究詳細(xì)分析了不同位置處的微觀組織演化及力學(xué)性能演化規(guī)律，研究結(jié)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(zhì)交界面由于鉬和鉻元素的擴(kuò)散使得顯微硬度明顯增加，拉伸結(jié)果表明斷裂位置主要位于ER70S-6一側(cè)。本研究為多金屬構(gòu)件的多樣化用途及高強(qiáng)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(xué)趙國(guó)平等人還利用該技術(shù)制備了Al-Cu/Al-Si逐層切換式多金屬構(gòu)件，具體如圖5(b)所示[59]。

除上述研究外，異質(zhì)熔絲增材制造技術(shù)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(gòu)件有所報(bào)道。但是目前相關(guān)研究所成形多金屬樣件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，除上述介紹徑向雙金屬構(gòu)件外，其余研究多是基于薄壁構(gòu)件的基礎(chǔ)成形工藝、界面組織演化及力學(xué)性能研究，關(guān)于異質(zhì)熔絲增材制造技術(shù)在高成分設(shè)計(jì)自由度及調(diào)控下的優(yōu)勢(shì)還亟需進(jìn)一步挖掘。

3.2異質(zhì)金屬界面調(diào)控

異質(zhì)金屬增材制造目前的主要難點(diǎn)是異質(zhì)金屬間的界面調(diào)控，直接連接式多金屬構(gòu)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(xué)特性又是決定多金屬構(gòu)件整體服役性能的關(guān)鍵[66-68]。因此，對(duì)異質(zhì)金屬界面進(jìn)行調(diào)控是解決多金屬構(gòu)件服役性能的主要研究重點(diǎn)。目前異質(zhì)金屬界面調(diào)控的核心難點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面:一方面，異質(zhì)金屬間物理化學(xué)性質(zhì)的根本差異(如熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率及膨脹系數(shù)等)極易導(dǎo)致異質(zhì)界面位置處在增材沉積往復(fù)循環(huán)溫度場(chǎng)下存在較大熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致構(gòu)件變形、開裂甚至成形失效[69,70];另一方面，部分異質(zhì)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(xù)分布時(shí)極易成為裂紋源，影響異質(zhì)界面的結(jié)合強(qiáng)度[71,72]。目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者也針對(duì)異質(zhì)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(xué)Tenuta等人在進(jìn)行電弧異質(zhì)熔絲沉積不銹鋼(AISI41)和低碳鋼(ER70S-6)多材料制備時(shí)，還詳細(xì)研究了不同打印策略下異質(zhì)金屬界面的微觀組織演化及力學(xué)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(jié)果表明三種不同路徑下的力學(xué)性能差異性并不顯著，但在異質(zhì)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(yuǎn)離界面位置處主要是細(xì)晶針狀鐵素體/貝氏體，而在路徑二、三中在相關(guān)區(qū)域主要是由針狀鐵素體和貝氏體/馬氏體組成。而經(jīng)成分分析發(fā)現(xiàn)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(shì)。這也顯著證明了沉積路徑對(duì)于異質(zhì)界面的調(diào)控效應(yīng)。

本團(tuán)隊(duì)前期在進(jìn)行電弧異質(zhì)熔絲鈦合金多材料構(gòu)件增材制造時(shí)，也開展了異質(zhì)界面調(diào)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(jié)果表明隨著過渡層數(shù)的增加過渡區(qū)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(duì)應(yīng)的，界面的抗拉強(qiáng)度也由約770MPa增加至830MPa。天津理工大學(xué)田銀寶等人為解決TC4與316L多金屬構(gòu)件增材制造連接難題，基于該技術(shù)進(jìn)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(fā)掘了異質(zhì)熔絲AM技術(shù)在成分調(diào)控方面的優(yōu)勢(shì)。與之類似的，天津大學(xué)王志江等人利用電弧異質(zhì)熔絲增材制造技術(shù)制備了具有薄壁結(jié)構(gòu)的IN625/Ti6Al4V的功能梯度材料，具體如圖7(c)所示，通過設(shè)計(jì)不同沉積層下異質(zhì)絲材的送入配比實(shí)現(xiàn)多成分組成樣件的制造，并詳細(xì)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(duì)顯微硬度及力學(xué)性能的影響規(guī)律[65]。

在逐層梯度過渡的基礎(chǔ)上，韓國(guó)國(guó)立昌原大學(xué)又進(jìn)一步提出采用超聲振動(dòng)輔助電弧異質(zhì)熔絲的方式用于制備逐層過渡式Inconel718和308L雙金屬構(gòu)件，具體如圖8所示[74]。經(jīng)與無(wú)超聲工藝下對(duì)比表明，經(jīng)過超聲振動(dòng)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(xué)成分過渡更加平滑。并且，力學(xué)性能表征結(jié)果表明超聲振動(dòng)后抗拉強(qiáng)度略有增高，但延伸率則存在降低趨勢(shì)，主要原因便是超聲振動(dòng)使得柱狀晶細(xì)化后各項(xiàng)異性減弱。同時(shí)晶粒細(xì)化后還使得界面位置處的硬度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，結(jié)果表明經(jīng)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(dāng)前，多金屬構(gòu)件界面調(diào)控形式相對(duì)簡(jiǎn)單，多為上述介紹的逐層過渡式制備方式。但異質(zhì)熔絲增材具備充分的成分及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度，如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及成分設(shè)計(jì)增加界面強(qiáng)度及延展率是界面調(diào)控方面著重解決的挑戰(zhàn)。

3.3梯度漸變式多材料構(gòu)件制備

異質(zhì)熔絲增材制造技術(shù)由于其不再局限于使用預(yù)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(jìn)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(fā)原位冶金反應(yīng)生成新型合金，例如3.2節(jié)所介紹的逐層調(diào)控方式。如果將逐層調(diào)控方式進(jìn)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(gòu)件的近凈成形能夠同步完成，真正實(shí)現(xiàn)“材-構(gòu)一體化”的制造理念，如圖9所示。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池成分的精確調(diào)控，而調(diào)控的關(guān)鍵變量正是各絲材的送進(jìn)速度比。在功能梯度材料制造方面，該技術(shù)能夠通過連續(xù)改變送絲比例，制造出連續(xù)成分漸變、性能過渡平滑的梯度結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)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(xué)院Somashekara M.等人便利用電弧異質(zhì)熔絲增材制造技術(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)硬度梯度變化，如圖10(a)所示，結(jié)果表明所制備零件的實(shí)際硬度與兩絲材送入比呈明顯規(guī)律性，且沉積樣件的顯微硬度具備良好的預(yù)測(cè)性[24]。與之類似的，臥龍崗大學(xué)Pan等人也通過電弧異質(zhì)熔絲增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了成分漸變的TiAl梯度合金，實(shí)現(xiàn)了由純Ti往Ti-50Al(at%)的連續(xù)梯度漸變[27]。另外，該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步開展了Fe-FeAl連續(xù)梯度漸變多金屬樣件的制備，如圖10(b)所示。研究結(jié)果表明所制備樣件的實(shí)際成分與設(shè)計(jì)成分差值較小，且成形樣件致密度極好，充分證明了異質(zhì)熔絲AM技術(shù)在多金屬構(gòu)件制造方面的潛力[75]。

通過上述分析可知，異質(zhì)熔絲AM技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了“成分-結(jié)構(gòu)-性能”的一體化。傳統(tǒng)連續(xù)成分漸變樣件的制造工藝流程長(zhǎng)、梯度控制精度有限，且難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的直接成形。相比之下，異質(zhì)熔絲技術(shù)通過實(shí)時(shí)、精確地調(diào)控多種絲材的送進(jìn)速率，能夠在三維空間內(nèi)對(duì)熔池的化學(xué)成分進(jìn)行動(dòng)態(tài)編程，從而實(shí)現(xiàn)成分從宏觀到微觀尺度的連續(xù)、平滑過渡。因此，該技術(shù)為航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)?gòu)件不同部位提出差異化性能要求的極端應(yīng)用場(chǎng)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(zhì)熔絲材料原位合成與過程調(diào)控

4.1異質(zhì)熔絲過程冶金及影響因素

異質(zhì)熔絲AM技術(shù)在多材料構(gòu)件的制備中的突出優(yōu)勢(shì)在于原位冶金材料合成，無(wú)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(tǒng)加工難以實(shí)現(xiàn)的，但原位冶金生成新材料也成了其關(guān)鍵挑戰(zhàn)。大量研究表明在異質(zhì)熔絲沉積樣件中極易產(chǎn)生相關(guān)冶金缺陷問題，如在與本研究領(lǐng)域研究類似的異質(zhì)熔絲TiAl報(bào)道中及本團(tuán)隊(duì)在前期制備Ti2AlNb時(shí)均發(fā)現(xiàn)有大范圍的成分偏析現(xiàn)象，嚴(yán)重影響沉積樣件質(zhì)量與性能[19,76]。目前，該技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)主要可以總結(jié)為如下兩點(diǎn):一方面，異質(zhì)熔絲沉積過程中熔池高瞬態(tài)特性極易使得異質(zhì)元素?cái)U(kuò)散不足，從而造成沉積樣件內(nèi)存在大量成分偏析現(xiàn)象[39,77];另一方面，與傳統(tǒng)單絲增材制造相比，異質(zhì)絲材間顯著的物性參數(shù)差異或送絲速度不一致引發(fā)的復(fù)雜熔滴過渡模式使得該技術(shù)面臨沉積過程穩(wěn)定性差、可重復(fù)差及成形質(zhì)量差的挑戰(zhàn)，極易導(dǎo)致液滴飛濺、粘絲等問題，從而影響成分準(zhǔn)確性及成形過程穩(wěn)定性[78]。

與之對(duì)應(yīng)的，異質(zhì)熔絲AM沉積過程主要包含“熔滴冶金區(qū)”及“熔池冶金區(qū)”兩大冶金過程，如圖11所示。其中，“熔滴冶金區(qū)”主要是指異質(zhì)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(zhǎng)冶金時(shí)間窗口，且保證異質(zhì)元素的準(zhǔn)確添加。“熔池冶金區(qū)”的主要是指異質(zhì)元素進(jìn)入熔池后所發(fā)生的冶金反應(yīng)，因?yàn)樵诓牧显缓铣蛇^程中類似于熔池“微鑄造”過程，“熔池冶金區(qū)”的持續(xù)時(shí)間和內(nèi)部對(duì)流模式也是決定原位冶金質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。因此，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)異質(zhì)熔滴過渡模式及熔池也進(jìn)行了大量的研究及過程調(diào)控。

4.2異質(zhì)熔絲增材制造過程穩(wěn)定性

與預(yù)合金式單絲AM技術(shù)相比，異質(zhì)熔絲AM在邁向工業(yè)化的過程中面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在這些挑戰(zhàn)中，過程穩(wěn)定性構(gòu)成了制約其技術(shù)發(fā)展的核心瓶頸之一。這是因?yàn)槌尚芜^程的穩(wěn)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(zhǔn)性及勻質(zhì)度，還深刻影響著樣件的力學(xué)性能，并最終決定了整個(gè)技術(shù)體系的可靠性與可重復(fù)性。

從技術(shù)角度分析，異質(zhì)熔絲AM沉積過程中的穩(wěn)定性問題可劃分為固有原因和特有原因兩個(gè)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(fù)雜、工藝參數(shù)繁多、工藝窗口窄以及固有的時(shí)變性特征。鑒于這些原因已在相關(guān)文獻(xiàn)中被廣泛討論，本部分將不再展開。本部分重點(diǎn)關(guān)注的是由異質(zhì)熔絲AM技術(shù)自身特點(diǎn)所衍生的特有原因，這些原因主要可被系統(tǒng)性地總結(jié)為:多絲材送入過程的復(fù)雜性、“熔滴冶金”過程的內(nèi)在不穩(wěn)定性以及“熔池冶金”過程的動(dòng)態(tài)時(shí)變性。

一方面，多絲材送入過程的復(fù)雜性是穩(wěn)定性的首要挑戰(zhàn)。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(jìn)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(huì)產(chǎn)生巨大差異。熔絲沉積過程中的傳質(zhì)過程對(duì)熔滴過渡模式極為敏感，大液滴式過渡模式極易導(dǎo)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(wěn)定性。因此，異質(zhì)熔絲AM中復(fù)雜、多變的熔滴過渡模式，使得沉積過程中的物質(zhì)傳遞過程變得極不穩(wěn)定。

另一方面，“熔滴冶金”過程的內(nèi)在不穩(wěn)定性是關(guān)鍵制約。共熔滴模式下的小液滴過渡被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)異質(zhì)熔絲AM穩(wěn)定傳質(zhì)及過程冶金的最優(yōu)路徑，因?yàn)樗饶鼙ＷC“熔滴冶金”反應(yīng)區(qū)的存在，又能維持傳質(zhì)過程的連續(xù)性與穩(wěn)定性。然而，在沉積過程中，這種理想的過渡模式通常難以長(zhǎng)時(shí)間維持。隨著零件幾何構(gòu)型的不斷變化和熱累積效應(yīng)的持續(xù)增強(qiáng)，初始設(shè)定的穩(wěn)定工藝參數(shù)會(huì)逐漸偏離其最佳工作區(qū)間，從而導(dǎo)致熔滴從穩(wěn)定的過渡狀態(tài)失穩(wěn)，進(jìn)入不穩(wěn)定的過渡模式。

最后，“熔池冶金”過程的動(dòng)態(tài)時(shí)變性進(jìn)一步影響著沉積過程中的穩(wěn)定性。異質(zhì)熔絲AM過程涉及熔池內(nèi)的冶金反應(yīng)，但熔池的尺寸并非恒定，其時(shí)變性的核心在于熱輸入與散熱之間的動(dòng)態(tài)失衡。后續(xù)沉積層對(duì)前一層造成的反復(fù)熱累積，使基體溫度持續(xù)升高。同時(shí)，零件幾何構(gòu)型的實(shí)時(shí)變化也不斷改變著散熱條件。當(dāng)熔池尺寸因熱輸入過剩而過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熔池流淌，破壞成形精度，反之，當(dāng)熔池因散熱過快而過小時(shí)，又會(huì)造成元素?cái)U(kuò)散不充分，影響界面結(jié)合質(zhì)量。這種難以預(yù)測(cè)的熔池尺寸波動(dòng)，對(duì)最終構(gòu)件的成形質(zhì)量構(gòu)成了直接威脅。

4.3異質(zhì)熔滴過渡模式調(diào)控

在異質(zhì)熔絲增材制造過程中，為保證高熔點(diǎn)或高送絲速度絲材的順利熔化，熱源功率通常設(shè)置為較大值，但熔點(diǎn)較低或送入速度較慢的絲材通常在該熱輸入下易產(chǎn)生過熱行為從而較難進(jìn)入熔池中心，并造成液滴飛濺現(xiàn)象。尤其是對(duì)于激光和電子束較高能量密度的熱源，低熔點(diǎn)絲材極難送入熔池中，通常在遠(yuǎn)離熱源中心的位置便達(dá)到熔點(diǎn)并開始熔化，同時(shí)在金屬反沖壓力的作用下產(chǎn)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(tuán)隊(duì)在利用電子束熱源及TiNb和Al絲進(jìn)行異質(zhì)熔絲沉積時(shí)，發(fā)現(xiàn)Al絲較難進(jìn)入熔池，后經(jīng)模擬仿真發(fā)現(xiàn)雖然Al絲送絲速度較慢，但其仍比TiNb絲先達(dá)到熔點(diǎn)，且距離熔池中心位置較遠(yuǎn)，圖12給出了不同時(shí)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(yuǎn)位置處便到達(dá)了熔點(diǎn)，而在真實(shí)沉積過程中便會(huì)導(dǎo)致大液滴式過渡，影響傳質(zhì)穩(wěn)定性。因此，如何保證各異質(zhì)絲材的順利送入熔池是當(dāng)前研究的目標(biāo)之一，且目前行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為在熔池上方形成共液滴后再過渡進(jìn)熔池的“共熔滴過渡”模式更有利于成分的均質(zhì)化。另外，增材制造過程中的時(shí)變性還易導(dǎo)致沉積層高難以維持在恒定值，從而使得最優(yōu)熔滴過渡難以保持，造成沉積過程中的穩(wěn)定性變差，尤其是熔滴過渡距離較大時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生大量液滴飛濺，影響成分準(zhǔn)確性及樣件成形質(zhì)量[79,80]。因此，調(diào)控異質(zhì)熔滴過渡模式并維持其穩(wěn)定性是該技術(shù)當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者主要通過調(diào)控異質(zhì)絲材的類型、送入角度和送入方式等策略保證異質(zhì)絲材的順利送入，從而保證成形質(zhì)量及成分準(zhǔn)確性。例如，溫州大學(xué)陳希章等人為簡(jiǎn)化電弧異質(zhì)熔絲沉積工藝過程采用了“線纜型”絲材進(jìn)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(zhì)絲材協(xié)同送入的復(fù)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(yè)大學(xué)林三寶等人在進(jìn)行電弧異質(zhì)熔絲沉積制造TiAl合金時(shí)，為保證單熱源下物性參數(shù)差異較大的Ti、Al絲可以協(xié)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(duì)較小，其中高熔點(diǎn)絲材被放置于更靠近熱源高溫區(qū)，而低熔點(diǎn)絲材則被放置于遠(yuǎn)離熱源高溫的區(qū)域[78]。另外，該單位的王亮等人在采用電子束異質(zhì)熔絲技術(shù)進(jìn)行高熵合金TiZrNbHf原位制備時(shí)，亦發(fā)展了雙絲共點(diǎn)送入模式，即將異質(zhì)絲材的送入相交點(diǎn)匯于熱源正下方，從而保證了異質(zhì)絲材的穩(wěn)定送入過程[82]。電子束熔化金屬的原理主要是將高速運(yùn)動(dòng)的電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，因此被置于高熔點(diǎn)絲材下方的低熔點(diǎn)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(jìn)行熔化，從而可以保證低熔點(diǎn)絲材的順利熔化及送入。本團(tuán)隊(duì)前期也對(duì)電子束異質(zhì)熔絲沉積制造Ti2AlNb合金的熔滴過渡過程展開了詳細(xì)研究，結(jié)果表明傳統(tǒng)分離式送絲方式下，較大的物性參數(shù)差異使得兩絲材以各自的熔滴過渡模式進(jìn)入熔池，且在空間上存在較大位置差異，導(dǎo)致沉積樣件存在成形形貌差、成分偏析及力學(xué)性能差等問題。隨后，基于絲材特性本團(tuán)隊(duì)提出了平行式送絲方法，即將TiNb絲和Al絲以平行的姿態(tài)送入熔池，結(jié)果表明低熔點(diǎn)絲材在高熔點(diǎn)絲材的遮擋下可以與高熔點(diǎn)絲材以共熔滴的模式過渡到熔池[20]。上述已報(bào)道方法主要通過調(diào)控絲材受熱而控制其熔化過程，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)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(guān)于異質(zhì)熔滴過渡的統(tǒng)一調(diào)控方法，但穩(wěn)定的送絲過程是促進(jìn)異質(zhì)元素均勻擴(kuò)散并提升異質(zhì)構(gòu)件成形精度與性能的關(guān)鍵保障。

在保證異質(zhì)絲材順利過渡到熔池的基礎(chǔ)上，如何維持液滴過渡的穩(wěn)定性是另一主要挑戰(zhàn)，這是因?yàn)槌练e制造過程中漸變的層高極易使得熔滴過渡距離產(chǎn)生變化。目前，通過在線檢測(cè)及實(shí)時(shí)閉環(huán)控制液滴過渡距離是熔絲增材制造領(lǐng)域調(diào)控液滴過渡的有效手段，閉環(huán)控制通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔滴形態(tài)與過渡頻率，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可強(qiáng)制熔滴穩(wěn)定過渡，確保熔池冶金過程可控。這是實(shí)現(xiàn)異質(zhì)材料精確成形、保證界面結(jié)合強(qiáng)度與構(gòu)件性能一致性的核心技術(shù)保障。但目前大部分研究均是基于傳統(tǒng)單絲增材制造[42,83,84]，而對(duì)于異質(zhì)熔絲增材制造由于較多的絲材數(shù)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(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前僅有本團(tuán)隊(duì)基于前期提出的平行式送絲方式初步實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)熔滴過渡的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。如圖14所示，通過機(jī)器視覺的方法對(duì)沉積過程中的熔滴過渡距離進(jìn)行實(shí)時(shí)提取，并發(fā)展了復(fù)合式圖像處理方法，通過實(shí)時(shí)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(shí)發(fā)展了在線控制系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)集成，具體人機(jī)交互界面如圖14所示。最后，通過在線調(diào)整送絲機(jī)構(gòu)與熔池之間的相對(duì)位置關(guān)系，從而保證每一沉積層下異質(zhì)熔滴的穩(wěn)定性[72]。結(jié)果表明，所開發(fā)的共熔滴閉環(huán)控制系統(tǒng)在多層樣件的沉積過程中展現(xiàn)了良好的魯棒性和實(shí)用性，每層中熔滴過渡距離可以良好地控制在目標(biāo)值，極大的提高了沉積過程中的穩(wěn)定性。

4.4熔池?zé)豳|(zhì)行為調(diào)控

如上所述，“熔滴冶金”的調(diào)控雖是減緩冶金缺陷的有效手段，但調(diào)控過程卻較為困難。一方面，共熔滴存在時(shí)間極短:熔絲增材以“液橋”或“小液滴”模式為最穩(wěn)定的傳質(zhì)模式，過渡時(shí)間極短，而時(shí)間更長(zhǎng)的“大液滴”模式卻極易產(chǎn)生飛濺，影響成分精準(zhǔn)性。另一方面，共熔滴形成條件極為苛刻:絲材物性參數(shù)、送絲速度差異及增材過程的時(shí)變性使得“熔滴冶金”存在穩(wěn)定性極差。雖然可以通過有效手段得以緩解，但異質(zhì)熔絲增材過程更類似于熔池“微鑄造”過程，“熔池冶金區(qū)”的持續(xù)時(shí)間和內(nèi)部對(duì)流模式也是決定原位冶金質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，因此國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者也針對(duì)熔池內(nèi)部的熱質(zhì)行為展開了研究。

清華大學(xué)常保華等人在利用電子束異質(zhì)熔絲AM技術(shù)原位冶金成形NiTi合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)采用熱源高速掃描的方式可以促使熔池內(nèi)液體流動(dòng)，從而加速異質(zhì)元素之間的擴(kuò)散，提高成分的一致性。研究結(jié)果表明所沉積的NiTi樣件有著良好的成分一致性，且力學(xué)性能優(yōu)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(huán)境，使得在熔絲沉積過程中金屬反沖壓力作用明顯，因此當(dāng)電子束進(jìn)行高速掃描時(shí)會(huì)在熔池內(nèi)部亦存在高速掃描的作用力，從而對(duì)熔池起到原位“攪拌”作用，促使熔池內(nèi)部液體流動(dòng)，促進(jìn)異質(zhì)元素對(duì)流與擴(kuò)散。本團(tuán)隊(duì)在前期利用TiNb絲與純Al絲進(jìn)行Ti2AlNb原位合成時(shí)，為獲得較長(zhǎng)的熔池冶金持續(xù)時(shí)間，還采用超低頻脈沖電弧熱源獲得了“扁平化”熔池，實(shí)現(xiàn)了一維棒狀樣件的堆積，促使異質(zhì)元素充分混合，雖犧牲了成形自由度，但有效證明了熔池調(diào)控的有效性[48]，如圖15(b)所示。電弧異質(zhì)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(fù)責(zé)維持熔池的整體熱輸入，確保其持續(xù)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(shí)現(xiàn)熔池的鋪展，形成“扁平化”的熔池，促進(jìn)熔池內(nèi)部的元素均勻化。

在上述研究基礎(chǔ)上，本團(tuán)隊(duì)又進(jìn)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(diào)控熔池?zé)豳|(zhì)行為，即通過電子束在偏轉(zhuǎn)線圈的作用下實(shí)現(xiàn)熱源的快速擺動(dòng)，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(duì)于熔池特性進(jìn)行調(diào)控，但是兩熱源以共熔池方式工作，如圖16所示。結(jié)果表明該新型熱源可以對(duì)熔池溫度場(chǎng)、流動(dòng)模式及持續(xù)時(shí)間進(jìn)行靈活調(diào)控，尤其是在金屬反沖壓力的交替作用下使得熔池內(nèi)部存在往復(fù)流動(dòng)的工作模式，對(duì)于促進(jìn)元素?cái)U(kuò)散十分有益。通過該新型熱源的調(diào)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(xué)性能也可達(dá)到與鑄件相當(dāng)?shù)某潭萚77,86]，不同參數(shù)下熔池形貌及溫度場(chǎng)分布如圖17所示。基于該技術(shù)，本團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過在線調(diào)整兩束流直接的相對(duì)位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了熔池穩(wěn)定性控制，有效滿足了不同送絲速度、不同異質(zhì)材料及不同工藝參數(shù)下的熔池冶金需求，也將交替脈沖電子束推廣成了異質(zhì)熔絲增材領(lǐng)域熔池調(diào)控的普適性技術(shù)。

5、面臨挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

異質(zhì)熔絲增材AM技術(shù)突破了傳統(tǒng)加工方式在多材料構(gòu)件成形過程中的局限，在成分設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面展現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)，有望為多材料構(gòu)件的成形制造提供一種新的范式。然而作為一項(xiàng)新興技術(shù)，該技術(shù)目前還面臨諸多困難或技術(shù)難點(diǎn)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(zhì)熔絲AM技術(shù)通常以“熔池”為成分區(qū)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(jí)，其中寬度約為7-15mm，而長(zhǎng)度約為10-25mm。因此，通過熔池進(jìn)行成分調(diào)控通常使得成分區(qū)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(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

(2)成形樣件及成分變化簡(jiǎn)單。雖然異質(zhì)熔絲增材制造技術(shù)在成分設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面展現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)，但是當(dāng)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(shè)計(jì)也多為梯度漸變式，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。如何發(fā)掘該技術(shù)在多金屬構(gòu)件加工方面的優(yōu)勢(shì)是該技術(shù)需要發(fā)展的方向。

(3)成形過程復(fù)雜且穩(wěn)定性差。異質(zhì)熔絲過程絲材過渡復(fù)雜、工藝參數(shù)眾多且過程時(shí)變，導(dǎo)致該技術(shù)沉積過程穩(wěn)定性較差，從而使得沉積樣件成分精度、均勻性及成形質(zhì)量面臨巨大挑戰(zhàn)。因此發(fā)展異質(zhì)熔絲沉積過程在線監(jiān)測(cè)及閉環(huán)控制技術(shù)，提高沉積過程穩(wěn)定性是該技術(shù)亟需發(fā)展的另一重要方向。尤其是近些年人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于提高過程魯棒性，精準(zhǔn)識(shí)別熔池、熔滴過渡等復(fù)雜動(dòng)態(tài)特征，并預(yù)測(cè)潛在缺陷具有重要意義，是推動(dòng)該技術(shù)走向工業(yè)化、實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性及高成形質(zhì)量的關(guān)鍵賦能技術(shù)。

異質(zhì)熔絲AM技術(shù)雖因其高材料利用率及有效功能梯度沉積效率展現(xiàn)出巨大潛力，但實(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。從技術(shù)成熟度(TechnologyReadiness Level,TRL)來看，該技術(shù)目前整體處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段(TRL3-4)，主要集中于工藝可行性驗(yàn)證、熔池內(nèi)原位冶金反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)探索以及沉積試樣宏觀性能的表征。盡管原理已經(jīng)得到證實(shí)，但距離形成穩(wěn)定、可靠、可重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)化工藝規(guī)范尚有較大差距。相比之下，異質(zhì)送粉技術(shù)雖成本相對(duì)高昂，但在航空航天等領(lǐng)域的原型驗(yàn)證已先行一步，達(dá)到了更高的TRL級(jí)。這種成熟度差距揭示了異質(zhì)熔絲技術(shù)未來的核心發(fā)展方向，應(yīng)著力攻克高精度多絲協(xié)同控制、熔池冶金過程精確調(diào)控及智能裝備等關(guān)鍵瓶頸，才能推動(dòng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工程應(yīng)用，真正發(fā)揮其顛覆性潛力。

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（注，原文標(biāo)題：異質(zhì)熔絲增材制造多材料構(gòu)件研究進(jìn)展_李自祥）