1、引言

在全球造作业持续高速演进的布景下，市场对具备高机能、轻量化与多职能个性的金属构件提出了愈发火急的要求[1-3]
。多金属资料构件因其可能将分歧组元资料的属性进行有效集成，使其在航空航天、船舶造作及核能等前沿科技领域的利用远景极为辽阔[4,5]
。以航空发起机为例，其关键部件通常需实现耐高温合金与高韧性结构资料的靠得住结合，这对于金属构件的加工提出了更高的要求[6]
。当前此类构件的出产造作仍重要沿用熔焊、钎焊、扩散焊及机械衔接等传统衔接工艺[7-9]
。然而，上述工艺往往流程繁琐、成本高昂且衔接地位靠得住性难以保障，已逐步难以符合现代造作业对结构一体化与机能定造化的需要
。因而，索求并开发高效、靠得住的多金属资料一体化成形新步骤，已成为造约高端设备造作业突破发展的主题瓶颈
。

增材造作技术(additive manufacturing,AM)，作为一项基于“离散-堆积”道理而鼓起的颠覆性造作范式，在复杂结构一体化成形、缩短研发周期及幼批量柔性化出产等方面展示出巨大的优势[10-15]
。其中，异质(两种及以上)熔丝增材造作作为AM的一项前沿分支，为多资料构件的加工造作带来了新的契机[16-19]
。该技术的主题在于可能在沉积过程中将两种或多种分歧的资料丝材以精确协同的方式送入熔池，并通过调控各丝材的送进速度比，实现对沉积层化学成分的精准节造[20-22]
。这一技术为多资料构件的造作启发了全新的蹊径，其利用价值重要体此刻如下两个层面:

一方面，该技术能够方便快捷地实现多资料构件的“一体化”直接衔接成形
。通过在预设的沉积地位或分歧沉积层中，战术性地切换送入分歧的丝材，能够实现特定区域的资料更换，从而实现多资料构件的沉积造作
。与粉末床式多资料AM技术相比，异质熔丝AM预防了资料切换过程中复杂的粉末回收、筛分及腔室清洁等繁琐工序，从而有效杜绝了分歧资料间的交叉传染风险
。该技术通过按需送丝的方式，不仅继承了熔丝工艺固有的高理论沉积速度优势，更实现了近乎齐全的资料利用率，固然在匹配丝材速度及比例过程中，沉积速度可能有所降落，但是有效职能梯度沉积速度与粉末式相比仍可保障较高值，该技术在工艺轻便性与经济性上的双沉优势，使其在造作大型、高机能异质资料构件方面展示出巨大的利用潜力[23,24]
。另表，与异质送粉式AM方式相比，除了上述提到的有效职能梯度沉积效能及资料利用率的优势表，异质熔丝式AM技术还能够实现成分的精准节造，这是由于异质丝材送入速度能够正确设定并从理论上实现丝材的齐全送入，而异质送粉式AM由于粉末难以全数送入熔池，所以在熔池冶金的成分正确性方面略显不及
。但是，异质熔丝增材在熔池尺寸方面要弘远于粉末式AM方式，故在成分分辨率方面存在较大挑战，重要合用于较大尺寸的多资料构件
。另表，异质丝材间物性参数差距、不不变的传质模式及过程时变性还使得该技术面对着过程不变性差、样件成形质量差的技术瓶颈
？蒲Х矫，异质熔丝AM技术在多物理场共同作用下，熔池的宏观流体动力学若何与熔滴的动量、溶解及界面行为耦合尚待解决，由于这不只决定溶质元素的混合效能、成分匀质化与精准化，也是实现高质量的关键
。另一方面，分歧于传统的机械衔接或焊接工艺，异质熔丝AM技术特有的“熔池”冶金结合个性，为缓解异种资料衔接中常见的界面应力集钟注结合强度不及等问题提供了新的解决规划[25, 26]
。这是由于异质熔丝AM技术使得多资料之间的衔接实现了从突变到梯度的转变，通过原位、动态的扭转衔接地位处的化学成分，可构建一个成分和机能陆续变动的梯度过渡区，从而实现金属间化合物的有效抑造及缓解因异种资料界面因热物理机能突变引起的应力集中问题
。这为资料界面的微观结构设计与宏观机能优化提供了优良的自由度，这对于提升构件的整体靠得住性与服役寿命拥有沉要的意思
。

另一方面，异质熔丝AM技术开创了新资料“原位合成”与成分“陆续渐变”的造作新模式[25,27-30]
。除了能够战术性切换送丝种类表，该技术还可能将多种元素或合金丝材同步送入熔池，利用熔池内的高温环境及强烈对流引发原位冶金反映，直接“打印”出拥有特定机能的新型合金
。更进一步地，通过陆续、动态地调整送丝比例，能够在一个构件内部实现化学成分与力学机能的陆续梯度过渡，实现职能梯度资料的一体化造作，给多金属构件的加工造备提供了新的范式及新的方向
。这为应对航空航天、能源设备、生物医疗及汽车工业等领域中极端工况提供了极具潜力的解决规划
。在航空航天领域，该技术可用于邻近空间飞行器组合发起机点火室耐热资料与冷却轻质资料的一体化构件，实现轻量化与耐高温的职能集成
。在能源设备领域，该技术可有效就解决复杂工况(如高温、高压、强侵蚀)下的多资料复合部件的造作需要
。在生物医疗领域，该技术可矫捷实现轻质、抗侵蚀及高生物相容性资料集成的职能梯度样件，有效匹配植入物的复杂需要
。因而异质熔丝AM技术催生了新一代高机能、多职能构件的设计与造作契机
。然而，该技术转化为靠得住的工程利用仍面对严格挑战
。异质丝材间物性参数差距、复杂的工艺参数及沉积过程时变性，极易导致过程不变性差、沉积样件成分组织不均匀及成形质量差等问题，是推动该技术走向工业化必须攻克的关键难题
。

目前常见多金属结构件的组合方式总结如图1所示
。传统方式下多为直接衔接式，即将资料A及资料B直接相连(见图1(a))，该种方式则对于异质熔丝AM技术越发容易实现，即通过直接切换送入丝材种类即可实现直接衔接式构件的造备
。而通过逐层切换丝材类型则能够实现造备如图1(b)所示的逐层切换性多资料样件
。其次，异质熔丝AM技术还可利用上述提到的多丝材原位合成技术通过节造各丝材的送入比例实现资料A与资料B的过渡衔接甚至于大领域梯度渐变，如图1(c，d)所示
。除直接衔接式表，传统加工步骤对于逐层切换式、过渡衔接式及梯度渐变式的造备存在极大挑战，甚至于难以加工
。而异质熔丝AM的技术则可等闲实现对于上述组合方式的加工
。

近些年，国内表钻研学者针对异质熔丝AM技术在多资料沉积方面发展了大量的钻研，为高机能多金属构件的造作奠定了坚实的理论基础与技术储蓄
。本文旨在对该领域的钻研进展进行系统性梳理
。首先，深刻分解了异质熔丝AM技术的主题道理与关键设备;其次，系统性地总结了该技术在多金属资料构件造备方面的最新钻研近况与代表性成就;在此基础上，沉点说明并深刻分析当前面对的关键科学与技术挑战;最后，对该技术的未来发展趋向与潜在钻研方向进行前瞻性探求，以期为有关领域的后续钻研提供有价值的参考
。

2、异质熔丝增材造作技术道理与设备

异质熔丝AM技术是在传统单熔丝技术上发展出的一种新型AM技术，其特色是能够在共热源下分时段或者同时送入两种以上的丝材，该技术在继承了熔丝AM技术高理论沉积效能及高资料利用率的基础上，还可实现多资料构件以及资料的原位造备，有望实现资料造备及结组织作的一体化
。异质熔丝AM系统重要由多丝送入？椤⑷仍茨？椤⒒疃敖谠煜低匙槌
。目前，凭据热源类型的分歧，重要可分为激光、电子束及电弧异质熔丝AM技术三种，具体如图2所示
。

激光热源拥有束斑方便调控、工艺适应性强及能量密度高的优势，在异质熔丝AM领域拥有沉要利用远景，然而由于前期设备较电弧相对昂贵且设备复杂，目前在熔丝领域仍处于起步阶段[31-34]
。但随着近些年国产激光器的遍及以及市场价值的不休降落，激光逐步有望成为代替电弧的低成本热源
。尤其是新发展的激光同轴送入技术得到了诸多关注，该技术下丝材以垂直方式送入熔池，多束激光器则形成环形光斑的大局溶解丝材，其中激光异质熔丝同轴送入的方式及设备如图2(a)所示[35,36]
。电子束异质熔丝AM技术拥有高真空环境、高沉积效能及高能量利用率的优势，被以为极度有利于异质熔丝增材造作过程中的原位冶金
。但是电子束设备相对复杂(如真空泵组、电子枪及高压电源等)且价值昂贵，尤其是真空室受限的成形尺寸成为限度其宽泛利用的重要挑战，然而近些年在异质熔丝沉积领域也有着宽泛的报路[37-41]
。电子束异质熔丝AM技术具体道理及设备如图2(b)所示
。电弧异质熔丝AM技术是基于传统弧焊所发展而来的一种技术，拥有设备单一及价值便宜的优势，且不受成形空间的限度，适合超大尺寸零件造作[42-45]
。因而，在异质熔丝AM领域，电弧仍被作为主流热源在使用，其具体设备道理及实物如图2(c)所示
。

另表，三种热源在溶解金属道理及熔池作用机造上也存在性质性差距
。其中，激光热源利用高能激光束与金属资料作用，实现资料的加热及溶解，所形成的熔池冶金反映剧烈，且金属反冲压力作用成效显著，并陪伴焦急剧冷却的特点
。电子束热源则重要在真空环境下利用高能电子束轰击金属表表白到使资料溶解的主张，该工艺下的熔池同样具备高温与反冲压力作用显著的特点，分歧于激光的是，电子束的真空氛围可能有效抑造熔池内异质金属元素的氧化反映，保险资料成分不变性
。相较而言，电弧热源以电弧放电为热输入方式加热基板与异质丝材，其能量密度显著偏低，热输入量相对较大，由此形成的熔池尺寸更大、深宽比更幼，冷却速度也相对缓慢
。而上述热源个性的差距化阐发，也会对熔池的流动行为与凝固过程起到主导作用
。表1对比总结了激光、电子束及电弧三种分歧热源在能量密度、沉积效能、设备价值、熔池尺寸、成分分辨率及资料适应性等方面的曲直
。

表1分歧热源下异质熔丝增材造作的特点[36,46-47]

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

将异质熔丝AM技术拓展至水下、太空等极端环境，是实现设备在役造作与原位建复的战术前沿，但其可行性的主题挑战，与单丝AM类似，重要取决于热源大局与设备系统的复杂水平
。在太空造作领域，由于高真空和微沉力环境，可能在真空中不变工作的电子束和激光成为首选方式
。在增材领域，当前钻研已聚焦于利用这些技术进行在轨造作与建复，多资料部件在真空环境下的利用潜力巨大，例如可原位造作兼具结构支持与热防护职能的舱体部件
。在水下造作领域，高压水环境是重要挑战
。电弧因设备单一和成本效益，在部门干法或排水罩等辅助措施下，电弧热源成为水下建复及样件造作的主流技术，而激光则因其精确可控性，在精密建复中展示出怪异优势，对于多资料利用，其远景同样辽阔，例如，可为海洋平台造作耐磨耐侵蚀的多资料复合职能涂层
。

当前，异质熔丝AM设备多是在传统单熔丝设备改装而成，尚处于尝试室索求阶段，而该技术对于熔丝设备却提出了特殊的要求，其重要挑战在于构建一个可能实现多资料在时序与空间上精确调控的执行系统，实现对多丝材协同工作、动态切换、送丝过程的精杜纂沉积过程不变性的协调节造
。在多丝材协同工作层面，设备须具备对多路独立送丝单元进行高动态节造的能力，除匹配送丝速度配比表，更是要实现基于预设资料成分模型的实时协同通讯，以确保在异质资料界面处形成可控的成分梯度
。其次，设备还应保障高精度的丝材送入能力，以及过程自适应节造能力
。这是由于为保障熔池冶金后的高成分精度，丝材送入量应严格节造，基于沉积过程时变性，还应建设在线监测及关环节造能力，以实现成形过程不变性
。最后，当前设备重要是基于单热源多丝材大局，未来如能凭据资料个性建设分歧热源，并实现多打印头陆续按需陆续切换，将对于提高异质熔丝AM多资料样件的造作能力及设备智能化水平拥有沉要意思
。

3、异质熔丝增材造作多金属构件与界面调控

3.1直连式多金属构件造备

异质熔丝增材造作技术突破了传统单丝沉积下只能造备匀质单资料构件的限度，通过按需切换使用分歧丝材作为原资料可实现分歧金属资料的沉积，结合增材造作技术的“离散-堆积”道理，能够实现对肆意地位分歧金属的沉积
。理论上，通过精密节造丝材送入种类，能够实现“熔池级”的成分编程与节造，即可将成分细化至每一个熔池内
。这对于精密节造样件资料，实现金属构件在分歧部位下合用分歧工况拥有沉大意思
。目前，国内表钻研学者已针对该技术发展了大量钻研，具体介绍如下
。

印度安那大学的Senthil等人利用电弧热源实现了Inconel825与SS316L多资料金属构件的增材造作，并具体钻研了两金属衔接处的微观组织演化、拉伸机能及显微硬度，如图3(a)所示
。了局批注在界面地位处存在显著的显微硬度的变动，且Ni和Fe元素在界面地位处成梯度变动，展示了优良的衔接机能[49]
。近些年，本团队也在电弧/电子束多金属资料增材造作方面也发展了大量钻研，具体如图3(b)所示
。例如，针对航空航天领域对于大型钛合金结构件对于职能梯度的需要，本团队前期发展了电弧多送丝增材造作设备，并发展了TC11/TA15和TC4/TC11梯度样件造备，阐了然其在航空航天领域的利用远景[50-52]
。在TC11/TA15梯度资料造备中发现，从TA15到TC11，晶粒尺寸减幼，并产生从柱状晶到等轴晶的转变
。合金元素含量在短距离内产生显著变动，突变区宽度为800μm
。TA15和TC11区域均出现由α相和β相组成的网篮状组织
。然而，在从TA15到TC11的过度过程中，α板条细化，导致显微硬度增长
。在TC4/TC11梯度样件造备中，具体钻研了后热处置对于沉积样件的调控作用，了局批注在直接过渡的样品中，更高的热处置温度和更长的保温功夫使成分和微观组织越发均匀
。并且热处置后，梯度样件界面描摹变得愈发不显著，且界面的横向延长率因两种资料的应变赔偿而得到提高
。另表，在多钛合金结构增材造作方面，吉林大学张志辉教授团队也利用电弧异质熔丝增材造作技术发展了TC4/TC11构件钻研[53]
。除此以表，在钛合金与其他高温合金多资料构件领域本团队也进行了诸多索求性钻研，例如TA15/Hf、TA15/Nb及TA15/Ti2AlNb等，钻研了局批注在界面地位由于高温合金较高的熔点较易导致钛合金塌陷行为，通过辅以热丝技术，可有效减幼热源热输入并保障高温合金丝材顺利溶解，最终有关样件可被成功造备，如图3(b)所示
。加拿大安粗略省理工大学Tenuta等人利用电弧异质熔丝增材造作技术造备了不锈钢(AISI410)和低碳钢(ER70S-6)的多资料样件，并且设计了分歧的打印衔接战术，对样件界面处的微观组织及力学机能进行了对比分析[54]
。葡萄牙里斯本新大学Oliveira等人基于该技术造备了从高强度钢到铜铝合金的多金属样件，了局批注所造备的样件无显著缺点且界面区域拥有优异的高强度和延展性，抗拉强度在高达690 MPa的同时延长率还能维持16.6%，有效证了然异质熔丝增材造作技术在造备多金属构件方面的潜力，具体如图3(c)所示[55]
。

另表，值得一提的是美国华盛顿州立大学Bandyopadhyay等人还基于仿生道理，利用电弧异质熔丝AM技术造备了径向双金属仿生结构，具体如图4所示，该结构芯部为308L不锈钢，表部为ER70S-6低碳钢[57]
。钻研了局批注这种双金属结构的机械互锁效应会形成一种预压应力效应，且该结构力学响应优于单质资料，具体的该双金属结构的抗压强度较单质金属增长了 33%至 42%
。该钻研索求性的进行了多金属结构设计并验证了加工的可行性，在肯定水平上挖掘了异质熔丝AM技术在复杂多金属结构加工的可行性
。

为充分挖掘电弧异质熔丝AM技术丝材方便调控的潜力，印度理工学院Srivastava等人还造备了逐层切换式SS316LSi和ER70S-6多金属构件，如图5(a)所示[58]
。该钻研具体分析了分歧地位处的微观组织演化及力学机能演化法规，钻研了局批注分歧地位处的显微组织存在显著的各向异性，且异质接壤面由于钼和铬元素的扩散使得显微硬度显著增长，拉伸了局批注断裂地位重要位于ER70S-6一侧
。本钻研为多金属构件的多样化用处及高强度钢的沉积成形提供了一种新型战术
。类似的，上海交通大学赵国平等人还利用该技术造备了Al-Cu/Al-Si逐层切换式多金属构件，具体如图5(b)所示[59]
。

除上述钻研表，异质熔丝增材造作技术还在Mo-Ta-W[60]、Inconel625-SS312[61]、Inconel 625-316L[62]、Inconel 625-HSLA[63]、SS316L-Cu[64]及Inconel 625-308L[65]等多金属构件有所报路
。但是目前有关钻研所成形多金属样件结构相对单一，除上述介绍径向双金属构件表，其余钻研多是基于薄壁构件的基础成形工艺、界面组织演化及力学机能钻研，关于异质熔丝增材造作技术在高成分设计自由度及调控下的优势还亟需进一步挖掘
。

3.2异质金属界面调控

异质金属增材造作目前的重要难点是异质金属间的界面调控，直接衔接式多金属构件在接触面地位存在着剧烈的成分、机能与微观组织的变动，而界面的力学个性又是决定多金属构件整体服役机能的关键[66-68]
。因而，对异质金属界面进行调控是解决多金属构件服役机能的重要钻研沉点
。目前异质金属界面调控的主题难点重要体此刻如下两个方面:一方面，异质金属间物理化学性质的底子差距(如熔点、热导率及膨胀系数等)极易导致异质界面地位处在增材沉积往复循环温度场下存在较大扰爪力，从而导致构件变形、开裂甚至成形失效[69,70];另一方面，部门异质金属在增材沉积的冶金过程中极易在熔池凝固过程析出金属间化合物，尤其陆续散布时极易成为裂纹源，影响异质界面的结合强度[71,72]
。目前，国内表钻研学者也针对异质界面的衔接难题，发展了大量的钻研
。

例如，前面介绍的加拿大安粗略省理工大学Tenuta等人在进行电弧异质熔丝沉积不锈钢(AISI41)和低碳钢(ER70S-6)多资料造备时，还具体钻研了分歧打印战术下异质金属界面的微观组织演化及力学行为，具体沉积蹊径、沉积样件及界面金相如图6所示[54]
。钻研了局批注三种分歧蹊径下的力学机能差距性并不显著，但在异质界面的微观组织方面却存在较大差距
。例如，蹊径一沉积下在稍远离界面地位处重要是细晶针状铁素体/贝氏体，而在蹊径二、三中在有关区域重要是由针状铁素体和贝氏体/马氏体组成
。而经成分分析发现蹊径一下铬浓度散布随距界面距离的增长而逐步降落，而蹊径二、三沉积下则呈阶梯式降落趋向
。这也显著证了然沉积蹊径对于异质界面的调控效应
。

本团队前期在进行电弧异质熔丝钛合金多资料构件增材造作时，也发展了异质界面调控钻研
。如图7(a)所示[50]
。两种钛合金之间的过渡层由一层逐步过渡至三层，且两种资料的成分比也按比例变动，例如一层过渡层下的TC4与TC11的占比各50%，而三层过渡下两资料占比下则梯度增长或削减
。了局批注随着过渡层数的增长过渡区域尺寸也逐步增长，界面地位处的微观组织越发均匀且界面描摹差距性也变幼，另表，与微观组织相对应的，界面的抗拉强度也由约770MPa增长至830MPa
。天津理工大学田银宝等报答解决TC4与316L多金属构件增材造作衔接难题，基于该技术进一步选取了更多过渡层的规划，具体由第一层下的5at%含量的Fe逐步过渡至十三层下的65at%含量的Fe，如图7(b)所示[73]，充分挖掘了异质熔丝AM技术在成分调控方面的优势
。与之类似的，天津大学王志江等人利用电弧异质熔丝增材造作技术造备了拥有薄壁结构的IN625/Ti6Al4V的职能梯度资料，具体如图7(c)所示，通过设计分歧沉积层下异质丝材的送入配比实现多成分组成样件的造作，并具体钻研了分歧成分组成下的微观组织及物相组成，并揭示了其对显微硬度及力学机能的影响法规[65]
。

在逐层梯度过渡的基础上，韩国国立昌原大学又进一步提出选取超声振动辅助电弧异质熔丝的方式用于造备逐层过渡式Inconel718和308L双金属构件，具体如图8所示[74]
。经与无超声工艺下对比批注，经过超声振动的多金属样件晶粒尺寸及均匀性均得到改善，界面地位化学成分过渡越发滑润
。并且，力学机能表征了局批注超声振动后抗拉强度略有增高，但延长率则存在降低趋向，重要原因就是超声振动使得柱状晶细化后各项异性减弱
。同时晶粒细化后还使得界面地位处的硬度出现上升趋向，了局批注经超声处置后各层的硬度百分比增幅别离为7%、9%、10%、12%和15%
。

当前，多金属构件界面调控大局相对单一，多为上述介绍的逐层过渡式造备方式
。但异质熔丝增材具备充分的成分及结构设计自由度，若何通过结构设计及成分设计增长界面强度及延展率是界面调控方面着沉解决的挑战
。

3.3梯度渐变式多资料构件造备

异质熔丝增材造作技术由于其不再局限于使用预合金丝材，而是可将多种元素或合金丝材作为“原料”，因而除了能够直接进行上述的多金属资料的增材造作表，还可在熔池中同步送入异种丝材并引发原位冶金反映天生新型合金，例如3.2节所介绍的逐层调控方式
。若是将逐层调控方式进一步拓展，将直接造备梯度渐变式多资料，这使得资料的原位合成与构件的近净成形可能同步实现，真正实现“材-构一体化”的造作理想，如图9所示
。该技术能够实现对熔池成分的精确调控，而调控的关键变量正是各丝材的送进速度比
。在职能梯度资料造作方面，该技术可能通过陆续扭转送丝比例，造作出陆续成分渐变、机能过渡滑润的梯度结构，实现职能梯度零件的直接一体化增材造作
。

早在2015年，印度理工学院Somashekara M.等人方便用电弧异质熔丝增材造作技术进行了硬度梯度渐变零件的造备，具体通过节造沉积过程中ER70S-6及ER110S-G两种丝材的送丝速度比，造备出成分梯度变动的零件，从而实现硬度梯度变动，如图10(a)所示，了局批注所造备零件的现实硬杜纂两丝材送入比呈显著法规性，且沉积样件的显微硬度具备优良的预测性[24]
。与之类似的，卧龙岗大学Pan等人也通过电弧异质熔丝增材造作技术实现了成分渐变的TiAl梯度合金，实现了由纯Ti往Ti-50Al(at%)的陆续梯度渐变[27]
。另表，该团队还进一步发展了Fe-FeAl陆续梯度渐变多金属样件的造备，如图10(b)所示
。钻研了局批注所造备样件的现实成分与设计成分差值较幼，且成形样件致密度极好，充分证了然异质熔丝AM技术在多金属构件造作方面的潜力[75]
。

通过上述分析可知，异质熔丝AM技术的主题优势在于实现了“成分-结构-机能”的一体化
。传统陆续成分渐变样件的造作工艺流程长、梯度节造精杜仔限，且难以实现复杂构件的直接成形
。相比之下，异质熔丝技术通过实时、精确地调控多种丝材的送进速度，可能在三维空间内对熔池的化学成分进行动态编程，从而实现成分从宏观到微观尺度的陆续、滑润过渡
。因而，该技术为航空航天、生物医疗等领域对构件分歧部位提出差距化机能要求的极端利用场景，启发了一条高效、低成本且高度矫捷的全新造作蹊径
。

4、异质熔丝资料原位合成与过程调控

4.1异质熔丝过程冶金及影响成分

异质熔丝AM技术在多资料构件的造备中的凸起优势在于原位冶金资料合成，无论是两金属之间的梯度过渡界面或梯度过渡多金属样件，这都是传统加工难以实现的，但原位冶金天生新资料也成了其关键挑战
。大量钻研批注在异质熔丝沉积样件中极易产生有关冶金缺点问题，如在与本钻研领域钻研类似的异质熔丝TiAl报路中及本团队在前期造备Ti2AlNb时均发现有大领域的成吩飓析景象，严沉影响沉积样件质量与机能[19,76]
。目前，该技术所面对的挑战重要能够总结为如下两点:一方面，异质熔丝沉积过程中熔池高瞬态个性极易使得异质元素扩散不及，从而造成沉积样件内存在大量成吩飓析景象[39,77];另一方面，与传统单丝增材造作相比，异质丝材间显著的物性参数差距或送丝速度不一致引发的复杂熔滴过渡模式使得该技术面对沉积过程不变性差、可沉复差及成形质量差的挑战，极易导致液滴飞溅、粘丝等问题，从而影响成分正确性及成形过程不变性[78]
。

与之对应的，异质熔丝AM沉积过程重要蕴含“熔滴冶金区”及“熔池冶金区”两大冶金过程，如图11所示
。其中，“熔滴冶金区”重要是指异质丝材溶解后在液滴存在的短暂的冶金过程，其可能在某种水平上耽搁冶金功夫窗口，且保障异质元素的正确增长
。“熔池冶金区”的重要是指异质元素进入熔池后所产生的冶金反映，由于在资料原位合成过程中类似于熔池“微铸造”过程，“熔池冶金区”的持续功夫和内部对流模式也是决定原位冶金质量的关键成分之一
。因而，国内表诸多学者针对异质熔滴过渡模式及熔池也进行了大量的钻研及过程调控
。

4.2异质熔丝增材造作过程不变性

与预合金式单丝AM技术相比，异质熔丝AM在迈向工业化的过程中面对着更为严格的挑战
。在这些挑战中，过程不变性组成了造约其技术发展的主题瓶颈之一
。这是由于成形过程的不变性不仅直接决定了样件的成形精度、组织均匀性与成分精准性及匀质度，还深刻影响着样件的力学机能，并最终决定了整个技术系统的靠得住性与可沉复性
。

从技术角度分析，异质熔丝AM沉积过程中的不变性问题可划分为固有原因和特有原因两个层面
。固有原因与其他常见的AM方式类似，重要蕴含工艺过程复杂、工艺参数繁多、工艺窗口窄以及固有的时变性特点
。鉴于这些原因已在有关文件中被宽泛会商，本部门将不再发展
。本部门沉点关注的是由异质熔丝AM技术自身特点所衍生的特有原因，这些原因重要可被系统性地总结为:多丝材送入过程的复杂性、“熔滴冶金”过程的内涵不不变性以及“熔池冶金”过程的动态时变性
。

一方面，多丝材送入过程的复杂性是不变性的首要挑战
。通常情况下，为保障原位合成资料的成分精确性，工艺上通常必要选取分歧类型、送进速度甚至直径的丝材
。在一样的热输入下，分歧物理属性的丝材其溶解行为及熔滴过渡行为会产生巨大差距
。熔丝沉积过程中的传质过程对熔滴过渡模式极为敏感，大液滴式过渡模式极易导致金属飞溅，影响成分精度，而插入式过渡模式则容易引起粘丝，粉碎送丝不变性
。因而，异质熔丝AM中复杂、多变的熔滴过渡模式，使得沉积过程中的物质传递过程变得极不不变
。

另一方面，“熔滴冶金”过程的内涵不不变性是关键造约
。共熔滴模式下的幼液滴过渡被以为是实现异质熔丝AM不变传质及过程冶金的最优蹊径，由于它既能保障“熔滴冶金”反映区的存在，又能维持传质过程的陆续性与不变性
。然而，在沉积过程中，这种梦想的过渡模式通常难以长功夫维持
。随着零件几何构型的不休变动和热累积效应的持续加强，初始设定的不变工艺参数会逐步偏离其最佳工作区间，从而导致熔滴从不变的过渡状态失稳，进入不不变的过渡模式
。

最后，“熔池冶金”过程的动态时变性进一步影响着沉积过程中的不变性
。异质熔丝AM过程涉及熔池内的冶金反映，但熔池的尺寸并非恒定，其时变性的主题在于热输入与散热之间的动态失衡
。后续沉积层对前一层造成的反复热累积，使基体温度持续升高
。同时，零件几何构型的实时变动也不休扭转着散热前提
。当熔池尺寸因热输入过剩而过大时，会导致熔池流淌，粉碎成形精度，反之，当熔池因散热过快而过幼时，又会造成元素扩散不充分，影响界面结合质量
。这种难以预测的熔池尺寸颠簸，对最终构件的成形质量组成了直接威胁
。

4.3异质熔滴过渡模式调控

在异质熔丝增材造作过程中，为保障高熔点或高送丝速度丝材的顺利溶解，热源功率通常设置为较大值，但熔点较低或送入速度较慢的丝材通常在该热输入下易产生过热行为从而较难进入熔池中心，并造成液滴飞溅景象
。尤其是对于激光和电子束较高能量密度的热源，低熔点丝材极难送入熔池中，通常在远离热源中心的地位便达到熔点并起头溶解，同时在金属反冲压力的作用下产生振荡，而后滴落至熔池，极大影响成形过程中的成分精度
。例如，本团队在利用电子束热源及TiNb和Al丝进行异质熔丝沉积时，发现Al丝较难进入熔池，后经仿照仿真发现固然Al丝送丝速度较慢，但其仍比TiNb丝先达到熔点，且距离熔池中心地位较远，图12给出了分歧时刻两种丝材的温度散布，能够看出Al丝在距离熔池中心较远地位处便达到了熔点，而在真实沉积过程中便会导致大液滴式过渡，影响传质不变性
。因而，若何保障各别质丝材的顺利送入熔池是当前钻研的指标之一，且目前行业内普遍以为在熔池上方形成共液滴后再过渡进熔池的“共熔滴过渡”模式更有利于成分的均质化
。另表，增材造作过程中的时变性还易导致沉积层高难以维持在恒定值，从而使得最优熔滴过渡难以维持，造成沉积过程中的不变性变差，尤其是熔滴过渡距离较大时仍会产生大量液滴飞溅，影响成分正确性及样件成形质量[79,80]
。因而，调控异质熔滴过渡模式并维吃熹不变性是该技术当前的钻研热点之一
。

目前，国内表钻研学者重要通过调控异质丝材的类型、送入角度和送入方式等战术保障异质丝材的顺利送入，从而保障成形质量及成分正确性
。例如，荆州大学陈希章等报答简化电弧异质熔丝沉积工艺过程选取了“线缆型”丝材进行高熵合金的原位合金化沉积[81]，这在很大水平上削减多种异质丝材协同送入的复杂性，但也在某种水平上增长了原资料造备的成本且就义了成分矫捷性
。哈尔滨工业大学林三宝等人在进行电弧异质熔丝沉积造作TiAl合金时，为保障单热源下物性参数差距较大的Ti、Al丝能够协同送入熔池，选取了两丝材以极大角度差送入的战术，如图13(a)所示
。这重要思考到电弧热源能量密度相对较幼，其中高熔点丝材被搁置于更靠近热源高温区，而低熔点丝材则被搁置于远离热源高温的区域[78]
。另表，该单元的王亮等人在选取电子束异质熔丝技术进行高熵合金TiZrNbHf原位造备时，亦发展了双丝共点送入模式，即将异质丝材的送入订交点汇于热源正下方，从而保障了异质丝材的不变送入过程[82]
。电子束溶解金属的道理重要是将高速活动的电子的动能转化为热能，因而被置于高熔点丝材下方的低熔点金属通常难以被电子直接撞击，所以不能被电子束直接作用，而是在高温液滴的作用下进行溶解，从而能够保障低熔点丝材的顺利溶解及送入
。本团队前期也对电子束异质熔丝沉积造作Ti2AlNb合金的熔滴过度过程发展了具体钻研，了局批注传统分离式送丝方式下，较大的物性参数差距使得两丝材以各自的熔滴过渡模式进入熔池，且在空间上存在较大地位差距，导致沉积样件存在成形描摹差、成吩飓析及力学机能差等问题
。随后，基于丝材个性本团队提出了平行式送丝步骤，即将TiNb丝和Al丝以平行的姿势送入熔池，了局批注低熔点丝材在高熔点丝材的遮挡下能够与高熔点丝材以共熔滴的模式过渡到熔池[20]
。上述已报路步骤重要通过调控丝材受热而节造其溶解过程，从而实现调控其过渡行为的主张，但是由于目前各丝材的巨大差距及使用多样性，并未形成关于异质熔滴过渡的统一调控步骤，但不变的送丝过程是推进异质元素均匀扩散并提升异质构件成形精杜纂机能的关键保险
。

在保障异质丝材顺利过渡到熔池的基础上，若何维持液滴过渡的不变性是另一重要挑战，这是由于沉积造作过程中渐变的层高极易使得熔滴过渡距离产生变动
。目前，通过在线检测及实时关环节造液滴过渡距离是熔丝增材造作领域调控液滴过渡的有效伎俩，关环节造通过实时监测熔滴状态与过渡频率，动态调节工艺参数，可强造熔滴不变过渡，确保熔池冶金过程可控
。这是实现异质资料精确成形、保障界面结合强杜纂构件机能一致性的主题技术保险
。但目前大部门钻研均是基于传统单丝增材造作[42,83,84]，而对于异质熔丝增材造作由于较多的丝材数量及分歧丝材之间不一致的过渡模式使得钻研极度有限
。据不齐全统计，目前仅有本团队基于前期提出的平行式送丝方式初步实现了异质熔滴过渡的实时在线监控
。如图14所示，通过机械视觉的步骤对沉积过程中的熔滴过渡距离进行实时提取，并发展了复合式图像处置步骤，通过实时提取液滴中心地位及熔池中心地位，可获得熔滴过渡距离
。同时发展了在线节造系统，并实现了系统集成，具体人机交互界面如图14所示
。最后，通过在线调整送丝机构与熔池之间的相对地位关系，从而保障每一沉积层下异质熔滴的不变性[72]
。了局批注，所开发的共熔滴关环节造系统在多层样件的沉积过程中展示了优良的鲁棒性和实用性，每层中熔滴过渡距离能够优良地节造在指标值，极大的提高了沉积过程中的不变性
。

4.4熔池热质行为调控

如上所述，“熔滴冶金”的调控虽是减缓冶金缺点的有效伎俩，但调控过程却较作难题
。一方面，共熔滴存在功夫极短:熔丝增材以“液桥”或“幼液滴”模式为最不变的传质模式，过渡功夫极短，而功夫更长的“大液滴”模式却极易产生飞溅，影响成分精准性
。另一方面，共熔滴形成前提极为刻薄:丝材物性参数、送丝速度差距及增材过程的时变性使得“熔滴冶金”存在不变性极差
。固然能够通过有效伎俩得以缓解，但异质熔丝增材过程更类似于熔池“微铸造”过程，“熔池冶金区”的持续功夫和内部对流模式也是决定原位冶金质量的沉要环节，因而国内表钻研学者也针对熔池内部的热质行为发展了钻研
。

清华大学常
；热嗽诶玫缱邮熘嗜鬯緼M技术原位冶金成形NiTi合金时，发现选取热源高速扫描的方式能够促使熔池内液体流动，从而加快异质元素之间的扩散，提高成分的一致性
。钻研了局批注所沉积的NiTi样件有着优良的成分一致性，且力学机能优异[85]，如图15(a)所示
。这重要是由于电子束较高的能量密度及沉积过程中的高真空环境，使得在熔丝沉积过程中金属反冲压力作用显著，因而当电子束进行高速扫描时会在熔池内部亦存在高速扫描的作使劲，从而对熔池起到原位“搅拌”作用，促使熔池内部液体流动，推进异质元素对流与扩散
。本团队在前期利用TiNb丝与纯Al丝进行Ti2AlNb原位合成时，为获得较长的熔池冶金持续功夫，还选取超低频脉冲电弧热源获得了“扁平化”熔池，实现了一维棒状样件的堆积，促使异质元素充分混合，虽就义了成形自由度，但有效证了然熔池调控的有效性[48]，如图15(b)所示
。电弧异质熔丝增材过程中可选取低频脉冲式工作方式，其中基值电流下重要掌管维持熔池的整体热输入，确保其持续存在，并实现丝材溶解，而峰值电流则可在较大电弧力的作用下实现熔池的铺展，形成“扁平化”的熔池，推进熔池内部的元素均匀化
。

在上述钻研基础上，本团队又进一步提出了交替脉冲电子束(能量配比、交替频率及工作距离)的方式用于调控熔池热质行为，即通过电子束在偏转线圈的作用下实现热源的急剧摆动，其中主束流重要用于形成熔池并溶解丝材，子束流重要工作在熔池尾部，对于熔池个性进行调控，但是两热源以共熔池方式工作，如图16所示
。了局批注该新型热源能够对熔池温度场、流动模式及持续功夫进行矫捷调控，尤其是在金属反冲压力的交替作用下使得熔池内部存在往复流动的工作模式，对于推进元素扩散极度有益
。通过该新型热源的调控下，所沉积的Ti2AlNb样件具备优良的成吩旖均性，且致密度也得到了较大水平的提高，力学机能也可达到与铸件相当的水平[77,86]，分歧参数下熔池描摹及温度场散布如图17所示

；诟眉际，本团队进一步通过在线调整两束流直接的相对地位关系，实现了熔池不变性节造，有效满足了分歧送丝速度、分歧异质资料及分歧工艺参数下的熔池冶金需要，也将交替脉冲电子束推广成了异质熔丝增材领域熔池调控的普适性技术
。

5、面对挑战与发展趋向

异质熔丝增材AM技术突破了传统加工方式在多资料构件成形过程中的局限，在成分设计及结构设计方面展示了巨大的优势，有望为多资料构件的成形造作提供一种新的范式
。然而作为一项新兴技术，该技术目前还面对诸多难题或技术难点亟需解决，具体介绍如下:

(1)成分分辨率不及
。通常前提下，异质熔丝AM技术通常以“熔池”为成分分辨单元，在激光、电子束或电弧热源沉积前提下，熔池通常在厘米级，其中宽度约为7-15mm，而长度约为10-25mm
。因而，通过熔池进行成分调控通常使得成分分辨界限不明确
。因而若何减幼熔池尺寸，提高成分分辨率是该技术的沉点发展方向之一
。

(2)成形样件及成分变动单一
。固然异质熔丝增材造作技术在成分设计及结构设计方面展示了巨大的优势，但是当前钻研位于起步阶段，仍以工艺探索下的薄壁样件为主，且界面设计也多为梯度渐变式，设计单一
。若何挖掘该技术在多金属构件加工方面的优势是该技术必要发展的方向
。

(3)成形过程复杂且不变性差
。异质熔丝过程丝材过渡复杂、工艺参数多多且过程时变，导致该技术沉积过程不变性较差，从而使得沉积样件成分精度、均匀性及成形质量面对巨大挑战
。因而发展异质熔丝沉积过程在线监测及关环节造技术，提高沉积过程不变性是该技术亟需发展的另一沉要方向
。尤其是近些年人为智能技术的急剧发展，对于提高过程鲁棒性，精准鉴别熔池、熔滴过渡等复杂动态特点，并预测潜在缺点拥有沉要意思，是推动该技术走向工业化、实现高不变性及高成形质量的关键赋能技术
。

异质熔丝AM技术虽因其高资料利用率及有效职能梯度沉积效能展示出巨大潜力，但实显熹工程利用仍面对挑战
。从技术成熟度(TechnologyReadiness Level,TRL)来看，该技术目前整体处于尝试室验证阶段(TRL3-4)，重要集中于工艺可行性验证、熔池内原位冶金反映机理的基础索求以及沉积试样宏观机能的表征
。只管道理已经得到证实，但距离形成不变、靠得住、可沉复的尺度化工艺规范尚有较大差距
。相比之下，异质送粉技术虽成本相对高昂，但在航空航天等领域的原型验证已先行一步，达到了更高的TRL级
。这种成熟度差距揭示了异质熔丝技术未来的主题发展方向，应着力攻克高精度多丝协同节造、熔池冶金过程精确调控及智能设备等关键瓶颈，能力推动技术从尝试室走向工程利用，真正阐扬其颠覆性潜力
。

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（注，原文标题：异质熔丝增材造作多资料构件钻研进展_李自祥）