王曉強(qiáng)，文世峰，周 燕，史玉升

（1.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北武漢430074；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北武漢430074）

增材制造（AM）技術(shù)是一種采用數(shù)字驅(qū)動方式將材料逐層堆積成形的先進(jìn)制造技術(shù)，將傳統(tǒng)的多維制造降為二維制造，突破了傳統(tǒng)制造方法的約束和限制，從根本上改變設(shè)計思路，將面向制造工藝的傳統(tǒng)設(shè)計變?yōu)槊嫦蛐阅茏顑?yōu)的設(shè)計，已廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、汽車制造等領(lǐng)域[1]。然而，隨著高端裝備對構(gòu)件性能要求的不斷提升，增材制造亟需從單一材料結(jié)構(gòu)向多材料結(jié)構(gòu)突破。如液體火箭燃燒室中使用銅合金襯套和鎳合金外套復(fù)合材料，內(nèi)部銅合金具有足夠高的熱傳導(dǎo)性保證熱量及時散失，外部鎳合金提供足夠高的支撐強(qiáng)度，通過整合兩種合金性能，此多材料零件能夠滿足極端溫度和壓力下的工作環(huán)境[2]；定制的NiTi-Ti6Al4V多孔結(jié)構(gòu)髖關(guān)節(jié)植入物，兩邊的NiTi區(qū)域具有超彈性，能夠滿足假體與骨骼之間的剛度匹配，而中間區(qū)域的Ti6Al4V用于提高整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。該多孔結(jié)構(gòu)有效解決了傳統(tǒng)鈦合金植入物與骨骼之間的剛度匹配問題，防止過早失效[3]。因此，開展面向構(gòu)件性能最優(yōu)的多材料增材制造（MM-AM）研究具有重要意義。

多材料增材制造裝備研制和成形工藝研究尚處于起步階段。如采用激光選區(qū)熔化工藝，通過人工手動換粉的方式，使用Cu合金作為中間層，初步實(shí)現(xiàn)了316L/Ti6Al4V多材料零件的成形，而且成形的多材料零件的界面抗拉強(qiáng)度達(dá)到500 MPa[4]；熔融沉積成形中設(shè)計的多噴頭[5-6]，實(shí)現(xiàn)了熱塑性聚氨酯（TPU）與ABS樹脂多材料的成形；激光選區(qū)熔化中鋪粉系統(tǒng)的改進(jìn)[7-10]，實(shí)現(xiàn)了316L與Cu10Sn多材料的成形；激光近凈成形中優(yōu)化同軸送粉方式[11-12]，實(shí)現(xiàn)了In718與Ti6Al4V多材料的成形等。圖1為典型的多材料增材制造工藝分類，表1總結(jié)了典型多材料增材制造工藝的優(yōu)缺點(diǎn)及其成形材料范圍。

圖1 典型的多材料增材制造工藝分類

表1 典型的多材料增材制造工藝對比

多材料增材制造技術(shù)可按照能量源、成形工藝、成形材料等分類。本文按照增材制造成形材料大類及其對應(yīng)的工藝分類，首先闡述各種工藝的技術(shù)原理，接著介紹多材料成形系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化的情況，然后分析多材料結(jié)合界面的宏、微觀特性及當(dāng)前問題，最后介紹多材料增材制造技術(shù)的應(yīng)用，并展望多材料增材制造技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

1 聚合物多材料增材制造

聚合物高分子材料由于其價格低廉、輕質(zhì)、耐腐蝕、以及部分良好的生物相容性，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天、汽車工業(yè)、電子行業(yè)等領(lǐng)域。聚合物增材制造技術(shù)主要包括：立體光固化（VP）、材料擠出（ME）、粉末床熔融（PBF）、材料噴射（MJ）、粘結(jié)劑噴射（BJ）和薄材疊層（SL），本文對多材料成形中應(yīng)用最廣泛的ME和MJ技術(shù)進(jìn)行了論述。

1.1 材料擠出

材料擠出（ME）技術(shù)是，材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭在沿著填充軌跡運(yùn)動的同時將熔化的材料擠出，再沉積形成三維零件。ME工藝主要有熔融沉積成形（FDM）、墨水直寫（DIW）兩種。通過改進(jìn)噴頭設(shè)計，ME可輕易實(shí)現(xiàn)多材料的成形。本部分內(nèi)容主要介紹FDM與DIW在多材料研究方面的進(jìn)展。

1.1.1 熔融沉積成形

熔融沉積成形（FDM）技術(shù)不依賴激光熱源，通過噴頭將各種熱塑性材料加熱熔化，然后沉積成形。通過噴頭擠壓沉積，相鄰沉積軌跡的絲材內(nèi)部聚合物鏈形成良好的化學(xué)鍵合，從而獲得高強(qiáng)度的零件[13]。為成形多材料零件，F(xiàn)DM噴頭設(shè)計需改進(jìn)。據(jù)目前的研究報道，利用FDM成形多材料零件的方法有兩種：①多種材料采用多個噴頭成形[5-6，14]；②多種材料采用單個噴頭成形[15-18]。第一種方法（圖2a）是將多個噴頭集成在一個支架上，可實(shí)現(xiàn)快速成形，同時成形出精細(xì)結(jié)構(gòu)，而且堵塞的噴嘴可及時更換，提高成形效率[19]，但額外的噴頭會限制噴頭支架的移動距離，造成成形區(qū)域的浪費(fèi)，并且多個噴頭校準(zhǔn)存在誤差，易引起多材料零件分層、翹曲等。第二種方法（圖2b）是多種材料共用一個噴頭，不存在校準(zhǔn)問題，多材料界面結(jié)合質(zhì)量較高、粘接更加有效，但單個噴頭的效率低下且易堵塞、易造成多種材料污染。

目前，多材料多噴頭成形方式是成形聚合物多材料零件的主要手段。研究者通過機(jī)械設(shè)計將多個噴頭集成于一體，以此進(jìn)行多材料成形研究。Hazrat等[5]設(shè)計了一款五噴頭集成的FDM打印機(jī)（圖2a），該打印機(jī)由兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，可同時使用五種不同顏色和材料的絲材成形，極大提高了成形效率。Yin等[6]通過集成式雙噴頭成形（圖2d）制備熱塑性聚氨酯（TPU）與ABS樹脂的多材料零件（圖2e）；基于熱傳導(dǎo)和熱力學(xué)驅(qū)動的分子間擴(kuò)散理論，模擬預(yù)測界面結(jié)合強(qiáng)度變化，實(shí)驗結(jié)果和模擬結(jié)果均表明：隨著沉積平臺溫度升高，界面結(jié)合強(qiáng)度也提高。

多材料單噴頭成形方式是成形聚合物多材料零件的另一種手段。研究者更多地采用這種方式成形連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。這類復(fù)合材料以連續(xù)纖維作為增強(qiáng)相、以熱塑性材料作為基體，避免了熱塑性材料力學(xué)性能低的缺點(diǎn)[20]。通過單噴頭成形該類復(fù)合材料的方法有兩種：一是在噴頭內(nèi)原位熔融纖維與基體材料（圖2f-Ⅰ）[17，18，21-23]；二是直接采用預(yù)先浸漬好基體材料的纖維絲材成形（圖2f-Ⅱ）[24-25]。其中，方法一的難度在于纖維與基體材料間的有效結(jié)合及形成良好的固結(jié)性，這是由于擠壓頭不能在短時間內(nèi)提供充足的壓力且無法達(dá)到很好的浸漬效果[25]；方法二由于預(yù)先浸漬能確保纖維與基體材料有效結(jié)合，但操作繁雜、成本較高。本文主要論述方法一的復(fù)合材料成形方式。

要采用噴頭內(nèi)原位熔融纖維與基體材料的成形方式，需對普通FDM打印機(jī)設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)。市場上使用最多的打印機(jī)由美國某公司制備，配有獨(dú)立的3D打印執(zhí)行軟件。Hao等[23]通過自主搭建FDM平臺制備了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料蜂窩、網(wǎng)格板件（圖2h、圖2g），其拉伸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別為792.8 MPa和202.0 MPa。Klift等[17]制備了幾種不同類型的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)調(diào)整FDM工藝參數(shù)可避免不連續(xù)纖維產(chǎn)生，防止由纖維缺失造成的過早失效，從而提升拉伸強(qiáng)度。

圖2 FDM成形多材料零件設(shè)備及方法示意

1.1.2 墨水直寫

墨水直寫（DIW）屬于材料擠出增材制造技術(shù)的一種，通過噴嘴沉積墨水形成三維零件，可用材料非常廣泛。DIW技術(shù)應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)是油墨材料的設(shè)計。油墨材料在擠出前應(yīng)表現(xiàn)出高粘彈性，同時在通過小噴嘴時具有良好的剪切稀釋效果，并在沉積后恢復(fù)高粘彈性，以達(dá)到形狀逼真[26]。DIW多材料成形的方法很多，本文將其分為以下三種：

（1）單噴嘴成形[27-30]：通過設(shè)計復(fù)合油墨材料，單噴嘴擠壓成形。

（2）多噴嘴成形[31-35]：通過多個噴嘴交替擠出不同的油墨材料，成形多材料零件。

（3）材料共擠壓成形[26，36-38]：通過定制的噴嘴成形多材料芯/殼一體結(jié)構(gòu)。

采用DIW技術(shù)，通過設(shè)計不同復(fù)合油墨材料，可成形各種輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、熱電器件、傳感器等不同功能的多材料零件。Luo等[27]通過配置四種不同的油墨材料，分別成形了芯層、犧牲層、電極層和絕緣層，制備的三層波紋PVC凝膠人工肌肉（圖3a）具有良好的驅(qū)動性能，該結(jié)構(gòu)可用于軟體機(jī)器人和柔性電子設(shè)備等方面。Yang等[28]研制了一種基于超分子體系的油酸銨（AO）和TEOA凝膠，該體系具備優(yōu)異的剪切稀釋效果和良好的形狀保真度，使固體含量高于80%，還采用DIW技術(shù)制備了復(fù)合材料傳感器（圖3b、圖3c），可實(shí)時監(jiān)測人體活動。

多噴嘴成形可實(shí)現(xiàn)零件不同部位的指定特性。Anebel等[31]通過成形聚二甲基硅氧烷（PDMS）和鈦酸鋇（BTO）填料，獲得了可調(diào)壓電性能的多材料零件（圖3d）。Guo等[32]通過短碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合，獲得了良好形狀記憶效應(yīng)的油墨，并通過雙噴頭成形支撐油墨和主體油墨，制備了具有跨越式的三維零件（圖3e），從而擴(kuò)展了環(huán)氧油墨在形狀記憶領(lǐng)域的應(yīng)用。

針對材料共擠壓成形方式，目前已有研究將其用于成形陶瓷基復(fù)合材料[26]，如芯層使用可溶解的材料以形成空心結(jié)構(gòu)[36]，以及具有高剛度強(qiáng)度的柱狀外殼[37]等。但該類零件往往受限于同軸成形噴嘴的直徑，在復(fù)合材料設(shè)計時仍需更加有效的策略。

此外，采用結(jié)合了DIW與其他增材制造方式的新型混合成形技術(shù)，可定制化地制備多材料零件。Elia等[39]結(jié)合DIW和數(shù)字光處理DLP兩種成形方式，制備了高分辨率的多材料生物支架（圖3f），通過改變DLP暴露時間得到了不同的機(jī)械性能，使具有空間精細(xì)機(jī)械強(qiáng)化的分層水凝膠支架的生物制造成為可能。

圖3 DIW成形技術(shù)及應(yīng)用示意

1.2 材料噴射

材料噴射（MJ）技術(shù)是將液體光聚合物連續(xù)噴射（CMJ）或按需滴落（DOD）到平臺上，再通過紫外光固化，逐層沉積形成三維零件。通過改進(jìn)噴嘴的的設(shè)計，采用MJ技術(shù)可高效率地成形多材料零件。與材料擠出技術(shù)類似，可將多材料MJ成形噴嘴設(shè)計為單噴嘴[40-43]和多噴嘴[44-46]的形式，其中單噴嘴的成形精度更高，而多噴嘴的成形效率更高。

在MJ單噴嘴成形多材料時，可先通過人為設(shè)計復(fù)合材料配比，再通過現(xiàn)有噴嘴成形，也可通過在噴嘴內(nèi)原位混合材料直接一體化成形，但適當(dāng)?shù)膰娮煸O(shè)計是后者面臨的主要挑戰(zhàn)。市面上常見的商用多材料噴射打印機(jī)是某公司生產(chǎn)的Objet260、Objet350、Objet500、Objet1000 Plus等系列產(chǎn)品。采用集成化的噴嘴設(shè)計，可高效地完成多材料零件制備，比如Lang等[41]設(shè)計了一款適用于多材料多尺度增材制造的混合噴嘴（圖4a），成功制備了變剛度、多尺度、變梯度顏色和微尺度模型，使成形復(fù)雜和漸變的架構(gòu)成為可能，實(shí)現(xiàn)了更精確的制造；Steven等[42]通過商業(yè)型多材料成形機(jī)制備了微流控比例閥（圖4b），通過剛性和柔性材料的組合，能在空間上限制流體的變形，精確控制流體并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)成形。

圖4 MJ單噴嘴成形多材料研究

MJ多噴嘴多材料成形是通過分裝了不同材料的噴嘴分別噴射沉積、成形多材料零件。多噴嘴的精度校準(zhǔn)和協(xié)同控制是多噴嘴成形面臨的主要挑戰(zhàn)。市場上的一些多噴嘴噴射成形的商業(yè)打印機(jī)配有獨(dú)立的控制軟件，能實(shí)現(xiàn)對噴嘴的精確控制。Liu等[44]通過多噴嘴成形了剛性聚合物和軟橡膠狀材料結(jié)合的多材料零件，發(fā)現(xiàn)界面結(jié)合強(qiáng)度和剛度依賴于界面處材料的厚度和成形的方向，還通過模擬計算描述了界面處的材料性質(zhì)分布規(guī)律。Pan等[45]提出了一種多電平電壓方法，利用多個噴嘴并行進(jìn)行高一致性的可尋址電子噴射成形，在成形零件中觀察到良好的尺寸和位置一致性。

2 金屬多材料增材制造

金屬及其合金已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、電子行業(yè)等領(lǐng)域。金屬材料增材制造工藝主要有粉末床熔融（PBF）、定向能量沉積（DED）、粘接劑噴射（BJ）、薄材疊層（SL）等。上述工藝在金屬多材料增材制造中的應(yīng)用已取得了一定的進(jìn)展。本部分主要對金屬多材料增材制造應(yīng)用最廣泛的PBF和DED工藝展開論述。

2.1 粉末床熔融

粉末床熔融（PBF）是通過激光或電子束等熱源將粉末材料熔化結(jié)合形成三維零件。PBF工藝主要有激光選區(qū)熔化（SLM）、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）和電子束熔化（EBM）。現(xiàn)有PBF工藝較難實(shí)現(xiàn)多材料增材制造，因為基于粉末床預(yù)鋪的工藝，在多材料粉末精確定位、定量鋪送以及后續(xù)的多材料粉末回收等方面存在困難[47]，因此對多材料粉末預(yù)制及回收系統(tǒng)的設(shè)計改造尤為重要。本小節(jié)主要介紹PBF中的SLM與EBM工藝在金屬多材料增材制造研究方面的進(jìn)展。

2.1.1 激光選區(qū)熔化

激光選區(qū)熔化（SLM）利用激光作為熱源逐層熔化粉末形成三維零件，成形的金屬零件致密度高、尺寸精度高、表面粗糙度好?，F(xiàn)有的SLM鋪粉系統(tǒng)大多是通過同一漏斗落下單一材料。為了解決鋪送回收多材料粉末的問題，研究人員提出了以下幾種途徑：①多料斗鋪粉系統(tǒng)[7-9，48]；②多料斗原位粉末混合鋪粉系統(tǒng)[10，49]；③超聲振動鋪粉系統(tǒng)[50-51]；④粉末回收鋪粉系統(tǒng)[8，52-54]。

多料斗鋪粉系統(tǒng)，能通過料斗選擇性地輸送不同的粉末，從而在制造方向不同層之間成形多種材料，但兩種材料界面處過渡明顯，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，并在復(fù)雜的載荷下出現(xiàn)分層現(xiàn)象[7]。Wei等[8]通過多材料粉末輸送陣列設(shè)備，在同一層和不同層中實(shí)現(xiàn)功能梯度材料制造并獲得了316L/Cu10Sn多材料零件（圖5a）；該設(shè)備集成在SLM系統(tǒng)中，逐點(diǎn)成形六種不同的材料，可實(shí)現(xiàn)從一種材料到另一種材料的漸變過渡，形成梯度材料零件；盡管該鋪粉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了SLM多材料零件的成形，但剩余的未成形混合粉末難以回收利用，造成粉末浪費(fèi)。Andriani等[48]使用兩個粉末料斗儲存和鋪送不同的粉末，以實(shí)現(xiàn)銅-不銹鋼的多材料成形，在垂直方向上制備了多材料金屬零件（圖6a）。

多料斗原位粉末混合鋪粉系統(tǒng)，是基于多料斗鋪粉系統(tǒng)增加了原位粉末混合裝置（圖5b），可實(shí)現(xiàn)從一種成分到另一種成分梯度過渡的多材料零件成形。Zhang等[10]設(shè)計的原位粉末混合系統(tǒng)，可用于混合不同比例的金屬和玻璃粉末，實(shí)現(xiàn)從純金屬到純玻璃過渡的梯度零件成形（圖6d）。相較于直接過渡的不同種類材料界面，梯度材料能實(shí)現(xiàn)更好的界面結(jié)合，但粉末的回收利用仍存在問題。

超聲振動鋪粉系統(tǒng)是利用超聲波實(shí)現(xiàn)粉末的選擇性鋪送。超聲波是一種機(jī)械波，以均勻的進(jìn)給速度鋪送粉末，精度比一般的鋪粉輥高，可選擇性地實(shí)現(xiàn)多材料粉末鋪送[55]。Wei等[51]混合超聲波和電機(jī)振動的方法（圖5c），預(yù)制了不規(guī)則形狀的SiC粉末和316L金屬粉末的混合物，成形了金屬雙螺旋結(jié)構(gòu)（圖6e）。由于超聲振動鋪粉逐點(diǎn)送粉，效率較低，應(yīng)用范圍較小。

粉末回收系統(tǒng)避免了粉末材料的浪費(fèi)。例如，Wei等[53]研發(fā)了粉末逐點(diǎn)選擇性去除和超聲分配的粉末預(yù)制工藝（圖5d），還開發(fā)了專用的數(shù)據(jù)程序，在同一層和不同層上均預(yù)制了多材料粉末，其中在水平方向上設(shè)計了特殊的界面結(jié)合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了元素擴(kuò)散能力，實(shí)現(xiàn)了多材料間更優(yōu)的結(jié)合（圖6h）；Wu等[54]基于多料斗供粉和柔性清掃回收粉末的原理（圖5e），自由地在不同層間或同層的不同區(qū)域按需布置不同的材料，成形了多材料金屬零件（圖6c、圖6f和圖6i）。

圖5 SLM鋪粉系統(tǒng)相關(guān)研究示意

圖6 多材料零件成形件

為了獲得界面結(jié)合良好的多材料金屬零件，研究者對界面結(jié)合性能及其影響因素進(jìn)行了研究。當(dāng)兩種不同金屬材料結(jié)合時，由于材料間的溶解性、晶格結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù)[56-57]等不同，易形成脆性金屬間化合物[58-59]。不同的材料熔點(diǎn)[60]、激光吸收率、熱導(dǎo)率[60-61]等，會導(dǎo)致界面處熔池產(chǎn)生復(fù)雜的反應(yīng)，易形成裂紋、氣孔，導(dǎo)致高殘余應(yīng)力、脆性等情況的發(fā)生。目前已有學(xué)者研究了Al合金體系、Cu合金體系、Ti合計體系、Fe合金體系等的金屬多材料SLM成形，其研究內(nèi)容多集中在優(yōu)化SLM成形工藝參數(shù)來避免缺陷產(chǎn)生以及在微觀層次上如何形成良好的界面冶金結(jié)合等方面。

華中科技大學(xué)史玉升團(tuán)隊的文世峰等[62]通過采用SLM工藝成形了316L/CuSn10多材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖7a），受界面結(jié)合區(qū)的熱影響作用，成形時出現(xiàn)了再結(jié)晶過程，導(dǎo)致晶粒細(xì)化（圖7b），但提高了界面結(jié)合強(qiáng)度。

圖7 SLM工藝成形多材料結(jié)構(gòu)

周燕等[63]研究了固溶處理對SLM成形W/316L多材料零件界面組織的影響規(guī)律，結(jié)果表明：固溶處理能顯著減弱界面處的氣孔和裂紋缺陷形成的趨勢，固溶處理析出的二次沉淀相如Fe2W、Fe6W6C彌散分布在基體上（圖7c），限制了位錯滑移、提高了硬度和強(qiáng)度，其影響機(jī)理見圖7d。Wei等[60]研究了Invar36/CuSn10多材料結(jié)合，發(fā)現(xiàn)由于Cu合金粉末對激光吸收率低，反射率和熱導(dǎo)率高，當(dāng)界面處的兩種材料過渡時，激光能量吸收較少，Invar36合金粉末難以達(dá)到熔點(diǎn)，因而易產(chǎn)生缺陷。對SLM成形AlSi10Mg/C18400研究[58]發(fā)現(xiàn)，界面處Al和Cu元素的相互擴(kuò)散會形成Al2Cu相，界面結(jié)合良好，拉伸強(qiáng)度介于兩基體材料之間。而界面不同的晶粒如柱狀晶體、針狀晶體會影響界面穩(wěn)定性[64]。

2.1.2 電子束熔化

電子束熔化（EBM）是PBF工藝中的一種，使用電子束作為高能熱源，通過熔化金屬粉末或金屬絲結(jié)合形成零件。基于粉末床的EBM系統(tǒng)同樣存在換粉困難和粉末浪費(fèi)的問題，而且相比于SLM，在多材料粉末預(yù)制系統(tǒng)改進(jìn)方面更為困難。

Hinojos等[65]采用EBM在316L基板上成形了In718零件，也在In718基板上成形了316L零件，并通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)后者的界面處產(chǎn)生了裂紋，這主要是基板約束引起的，由于界面處產(chǎn)生了大量碳化物和沉淀，這些區(qū)域的耐腐蝕性能降低，需進(jìn)一步優(yōu)化成形工藝才能避免出現(xiàn)該現(xiàn)象。Terrzazs等[66]通過構(gòu)建一個成形起始板，實(shí)現(xiàn)了Ti6Al4V和Cu合金的多材料EBM成形。EBM的真空環(huán)境保證了成形零件的良好性能，在零件內(nèi)部形成了大量的初始等軸晶，使零件硬度增加了16%。

2.2 定向能量沉積

定向能量沉積（DED），以激光、電子束、電弧等產(chǎn)生的熱源在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池，將粉末或絲狀的材料直接送入高溫區(qū)熔合成形。DED工藝主要有激光近凈成形（LENS）、電弧增材制造（WAAM）、電子束熔絲沉積（EBAM）。與PBF基于粉末床鋪粉成形的方式不同，DED工藝是將材料直接送入熔池成形，因此在成形多材料方面具有很大的優(yōu)勢。本部分主要介紹DED工藝中LENS與WAAM在多材料成形方面的研究進(jìn)展。

2.2.1 激光近凈成形

激光近凈成形（LENS）是通過激光在指定區(qū)域直接形成熔池，將粉末材料同步送入熔池后熔化、凝固、沉積成形。LENS成形的金屬零件組織致密，力學(xué)性能高?；谕S送粉的方式，LENS可輕易地實(shí)現(xiàn)多材料和非均質(zhì)梯度材料零件的成形，只需使用多個粉末料斗并適時地改變料斗的開關(guān)，不僅可在成形過程中實(shí)時改變沉積的粉末種類，還可將不同的粉末預(yù)混合，然后沉積形成具有梯度變化的多材料零件（圖8a）。因而，關(guān)于LENS多材料成形的研究主要集中于如何實(shí)現(xiàn)多材料良好結(jié)合。

LENS成形的多材料同樣存在分層、裂紋等缺陷。為避免缺陷產(chǎn)生，研究者分析了多材料界面直接成形[11-12，67-70]、多材料成分梯度過渡成形[11-12，71]、增加中間層成形[11]三種方式對多材料界面結(jié)合的影響規(guī)律。

多材料界面直接沉積是通過優(yōu)化LENS工藝參數(shù)直接成形多種金屬材料，這種方式簡單高效，但不能解決異種材料之間固有的脆性相、熱物理性質(zhì)差異等帶來的界面缺陷問題。研究者采用LENS成形了磁性鐵素體不銹鋼SS430與非磁性奧氏體不銹鋼SS316的多材料金屬零件，實(shí)現(xiàn)了梯度磁性過渡功能（圖8b）。由于LENS工藝產(chǎn)生的熔池較小，相比于傳統(tǒng)焊接工藝沒有焊縫及過大的熱影響區(qū)，界面過渡也更平滑[69]。針對兩種熱物理性質(zhì)差異較大的材料，Onuike等[11-12]通過實(shí)驗證明了In718與Ti6Al4V、Cu合金的界面直接成形會出現(xiàn)嚴(yán)重的分層（圖8c、圖8d），因此必須通過其他方式進(jìn)行成形連接。

多材料成分梯度過渡成形不會產(chǎn)生突變的多材料界面，能在一定程度上避免產(chǎn)生界面缺陷。Onuike等[12]為了解決In718與Cu合金直接成形的難題，采用界面成分梯度過渡的方式得到界面結(jié)合較好的In718/Cu多材料零件（圖8e），將其導(dǎo)電性能提高了300%。這是由于元素在界面上逐漸擴(kuò)散，避免了脆性相的連續(xù)析出，減少了應(yīng)力的集中。

增加中間層連接成形，不僅可避免多種材料直接接觸引起的多種物理化學(xué)反應(yīng)，還可分別與兩側(cè)材料產(chǎn)生新的良好界面，但在選擇中間層材料方面面臨關(guān)鍵性挑戰(zhàn)。關(guān)于中間層的選擇，Onuike等[11]分別將VC和Ni-Cr作為In718與Ti6Al4V結(jié)合的中間層材料進(jìn)行研究，結(jié)果表明：使用VC作為中間層可成形無裂紋缺陷的多材料零件（圖8f），并且VC中間層作為獨(dú)立層可防止In718和Ti6Al4V兩種材料的直接擴(kuò)散，能降低直接成形時脆性金屬相的產(chǎn)生，而Ni-Cr合金則會與Ti6Al4V形成Ti2Ni脆性化合物，影響界面性能。

圖8 LENS成形相關(guān)研究

2.2.2 電弧增材制造

電弧增材制造（WAAM）屬于DED工藝的一種，以電弧作為熱源，采用絲材作為沉積材料，通過逐層熔化凝固形成三維零件[73]。WAAM可使用氣體保護(hù)金屬極電弧焊（GMAW）、氣體保護(hù)鎢極電弧焊（GTAW）或等離子弧焊（PAW）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種材料絲材的自由更換，更易實(shí)現(xiàn)多材料增材制造。

有針對性的沉積路徑規(guī)劃，不僅能在預(yù)定方向上提高零件的強(qiáng)度，使其適應(yīng)外載荷，還可在指定部位獲得預(yù)設(shè)的性能。Treutler等[74]使用FeNi36作為基體材料、使用Mn4Ni1.5CrMo作為增強(qiáng)材料，將兩種材料按照圖9a所示形式相互沉積10層，在制造方向上獲得了更高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的焊接樣品（圖9b）。此外，通過在零件特定部位成形良好的可塑化層，零件的疲勞強(qiáng)度提高35%。

通過優(yōu)化WAAM成形工藝，Kumar等[75]成形了SS321和In625相結(jié)合的功能梯度零件（圖9c），其微觀結(jié)構(gòu)從SS321區(qū)域的等軸晶變化為In625區(qū)域的細(xì)枝晶和胞狀晶，界面元素擴(kuò)散均勻，無微觀裂紋產(chǎn)生。為避免產(chǎn)生界面缺陷產(chǎn)生，Ahsan等[76]研究了熱處理對多材料零件界面性能的影響規(guī)律。通過在950℃、1 h條件下的熱處理，將低碳鋼和奧氏體不銹鋼多材料零件的抗拉強(qiáng)度提高了35%、伸長率提高了250%，這是因為熱處理使界面鐵素體組織轉(zhuǎn)變?yōu)椤拌F素體+貝氏體”的組織，成形的多材料零件見圖9d。

圖9 電弧增材制造相關(guān)研究

3 陶瓷多材料增材制造

陶瓷材料具有優(yōu)異的耐磨性、耐高溫、耐腐蝕性，幾乎應(yīng)用于航空航天、汽車、國防、醫(yī)療等所有行業(yè)[77]。但陶瓷材料固有的高熔點(diǎn)、高硬度特點(diǎn)使其成形困難。目前，關(guān)于陶瓷多材料增材制造的研究較少，本部分主要介紹金屬和陶瓷多材料增材制造的研究現(xiàn)狀。

金屬和陶瓷多材料零件在金屬側(cè)具有良好的延展性、高熱導(dǎo)率、導(dǎo)電率；在陶瓷側(cè)具有高硬度、高耐磨、良好的耐腐蝕性，因此整體上兼具金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)[78]。然而，金屬和陶瓷結(jié)合成形存在挑戰(zhàn)，主要有幾個原因：①金屬和陶瓷線膨脹系數(shù)差異較大，界面處在冷卻過程中會形成很大的殘余應(yīng)力，嚴(yán)重影響界面結(jié)合質(zhì)量；②陶瓷內(nèi)部形成的是共價鍵，電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而金屬內(nèi)部形成的是金屬鍵，電子可自由移動，二者很難形成良好的冶金結(jié)合；③陶瓷表面潤濕性很差，嚴(yán)重影響界面處金屬的粘附；④陶瓷熱導(dǎo)率很低，與金屬熱導(dǎo)率相差過大，界面熱量主要向金屬側(cè)傳導(dǎo)。目前的研究中，大多數(shù)是通過釬焊[79]、超聲焊接[80]、激光焊接[81]、TIG焊接[82-83]等工藝實(shí)現(xiàn)金屬和陶瓷的界面連接，而在采用增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬和陶瓷界面結(jié)合成形的研究方面主要涉及SLM和LENS兩種工藝。

如前所述，通過改進(jìn)SLM鋪送粉系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多材料成形。氧化鋯基陶瓷的熱膨脹系數(shù)與鋼接近，被認(rèn)為是與鋼結(jié)合的首選陶瓷。Koopmann等[84]采用SLM工藝成形了“鋼-陶瓷-鋼”的一體化夾層結(jié)構(gòu)，驗證了氧化鋯基陶瓷與鋼之間結(jié)合的可能性，研究時在界面處設(shè)計了鋸齒狀層間邊界，并將陶瓷頂部的鋼層設(shè)計為多孔結(jié)構(gòu)，減小了界面的殘余應(yīng)力，保證了界面結(jié)合質(zhì)量。Veron等[85]提出了一種基于SLM的原位金屬陶瓷多材料零件成形方法，使用AlSi12粉末作為原料，通過在成形腔內(nèi)通入適量的氧氣控制激光能量密度，當(dāng)激光能量密度較小時，粉末熔化形成鋁硅金屬導(dǎo)體；當(dāng)激光能量密度較大時，粉末氧化燒結(jié)形成介電氧化鋁陶瓷，從而在一步工藝中原位實(shí)現(xiàn)了金屬和陶瓷的多材料零件成形，為金屬和陶瓷的多材料成形拓寬了思路。

LENS工藝通過改變粉末噴嘴的開閉，可便捷地實(shí)現(xiàn)多材料成形。Zhang等[70]采用LENS成形了Ti-Al2O3的梯度復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)從純金屬區(qū)Ti6Al4V到純陶瓷區(qū)Al2O3的過渡，過渡界面由α-Ti、β-Ti、氧化鋁組成，其結(jié)合性能較好，從而在一次成形中實(shí)現(xiàn)從純金屬到純陶瓷的過渡成形，避免了傳統(tǒng)復(fù)雜的燒結(jié)工藝。

4 應(yīng)用

MM-AM通過多種材料的結(jié)合來提高單一材料的性能，充分發(fā)揮了多材料的優(yōu)勢，目前已在生物醫(yī)療、電子電路等方面獲得應(yīng)用。

在生物醫(yī)療方面，MM-AM可用于生物材料（如多材料支架、組織和器官）成形。由于天然聚合物（如膠原蛋白、纖維素）和合成聚合物（如ABS、PLA、PEEK）具有良好的生物相容性、可成形性、可降解性等特點(diǎn)，經(jīng)常被用作原材料來實(shí)現(xiàn)各種功能。圖10a是采用多材料成形實(shí)現(xiàn)生物功能的示意。Sears等[86]開發(fā)了一種生物可降解的復(fù)合墨水，用于成形從下頜節(jié)段開發(fā)定制的仿生骨移植物（圖10b）。Lee等[87]設(shè)計了一款生物3D打印機(jī)，成形了含有合成聚合物材料和細(xì)胞負(fù)載水凝膠的混合支架。

圖10 MM-AM在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用

在電子電路方面，Zhang等[89]通過SLM成形了CuSn/18Ni300多材料多孔結(jié)構(gòu)（圖11a），兩種多孔材料實(shí)現(xiàn)了雙重緩沖機(jī)制，起到更好的保護(hù)作用。Wei等[90]采用SLM工藝成形了SiC-316L復(fù)合支撐材料與316L結(jié)合的多材料，該復(fù)合材料易于去除（圖11b），降低了零件的表面粗糙度值。此外，研究者還利用SLM工藝在陶瓷基板[91]上成形了帶有導(dǎo)電圖案的Cu線路（圖11c），同時利用Cu與高密度的聚乙烯構(gòu)建了導(dǎo)電軌道[92]（圖11d），將電子設(shè)備集成到增材制造工藝中，為微型設(shè)備的開發(fā)提供應(yīng)用依據(jù)。

圖11 MM-AM在電子電路方面的應(yīng)用

MM-AM在多材料零件的成形上具有優(yōu)勢，但受限于多材料零件的界面結(jié)合效果，目前的應(yīng)用還未全面推廣。未來的MM-AM研究可能主要在多材料成形系統(tǒng)的研發(fā)和多材料零件界面結(jié)合方面，旨在成形性能更加優(yōu)異的多材料零件，從而推動MMAM技術(shù)得到更加廣泛地應(yīng)用。

5 發(fā)展趨勢

MM-AM為制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、性能最優(yōu)的零件提供了新途徑，其應(yīng)用價值大，但相關(guān)技術(shù)仍處于基礎(chǔ)研究階段，面臨諸多挑戰(zhàn)，為此，本文總結(jié)的未來發(fā)展趨勢如下：

（1）多材料預(yù)制系統(tǒng)完善。如何精確高效地鋪設(shè)及回收多種粉末狀、絲狀材料是多材料增材制造的關(guān)鍵。這不僅會影響零件成形效率，而且還涉及材料成本問題。因此，還需針對多材料成形系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)建與優(yōu)化作進(jìn)一步研究。

（2）多材料結(jié)合界面控制。由于較差的界面結(jié)合會使零件層間形成孔隙、分層等缺陷，嚴(yán)重時還會降低零件的機(jī)械性能，還需針對多種材料間的相容性匹配、界面結(jié)合等機(jī)制作進(jìn)一步研究。

（3）多材料成形質(zhì)量控制。多材料零件在沉積方向和水平方向表現(xiàn)出各向異性，表面粗糙度較大，影響零件的應(yīng)用，因此還需對穩(wěn)定可控的適合多種材料的成形工藝參數(shù)作進(jìn)一步研究。

（4）多材料零件的應(yīng)用拓展。目前，多材料成形研究仍處于基礎(chǔ)階段，隨著各種成形工藝的不斷改進(jìn)以及超材料、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、超晶格、微納尺度等技術(shù)的引入，未來的多材料零件應(yīng)用領(lǐng)域會不斷得到拓展。

6 結(jié)論

本文系統(tǒng)地綜述了典型多材料增材制造（MMAM）技術(shù)的原理和應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

（1）對于聚合物材料，材料擠出（ME）和材料噴射（MJ）是應(yīng)用最廣泛的多材料增材制造工藝，通過改進(jìn)現(xiàn)有的噴頭系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)水平方向和沉積方向的多材料成形。

（2）對于金屬材料，分析了粉末床熔融（PBF）與定向能量沉積（DED）在多材料成形方面的研究工作。金屬多材料零件存在界面熔合問題，材料熱物理性質(zhì)差異及兼容性不足會導(dǎo)致界面結(jié)合不良，產(chǎn)生多種缺陷。

（3）對于金屬陶瓷多材料，分析了金屬陶瓷界面直接結(jié)合的研究進(jìn)展。目前，金屬和陶瓷物理性質(zhì)的差異是界面結(jié)合的主要障礙。

（4）分析了多材料增材制造技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢，相信通過對成形系統(tǒng)的優(yōu)化、界面結(jié)合機(jī)理的深入研究，未來多材料增材制造技術(shù)必然會廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，為工業(yè)發(fā)展帶來新的契機(jī)。