顶刊综述：激光增材制造过程中多金属原位合金化！

摘要：激光增材制造（AM）通过原位合金化技术，将混合元素粉末在熔池中动态均质化，突破了传统预合金粉末的限制，为多金属组件（MMAM）的定制化生产提供了新途径。该技术通过调控元素比例与工艺参数，可实现复杂梯度材料（如功能梯度材料FGMs）的制备，满足航空航天、生物医学

主要作者：Dingmeng Xu，Wuxin Yang*，Peng Cao*

第一单位：The University of Auckland

发表期刊：Composites Part B: Engineering

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112443

通讯地址：wuxin.yang@auckland.ac.nz；p.cao@auckland.ac.nz

激光增材制造（AM）通过原位合金化技术，将混合元素粉末在熔池中动态均质化，突破了传统预合金粉末的限制，为多金属组件（MMAM）的定制化生产提供了新途径。该技术通过调控元素比例与工艺参数，可实现复杂梯度材料（如功能梯度材料FGMs）的制备，满足航空航天、生物医学等领域对高性能材料的需求。然而，化学不均质性、柱状晶生长及工艺稳定性仍是主要挑战。本文系统综述了从粉末制备到工艺优化的全链条技术进展，强调多学科协同对推动MMAM应用的重要性。

Figure 1. OM images of AA5024 with various amounts of TiC addition

2.1 机械混合方法

球磨法：Ti6Al4V低成本制备：球磨HDH Ti粉与Al/V元素粉末，抗拉强度达1083 MPa，接近预合金粉末性能（~1100 MPa），氧含量控制在0.2 wt.%以下。Al基复合材料：球磨AlSi10Mg与纳米TiB2（0.5-2 wt.%），细化α-Al晶粒（尺寸由50 μm降至5 μm），硬度提升至HV 220（未增强HV 180）。机理：通过高能碰撞实现元素粉末的均匀分散与冷焊。优化球料比（BPR=5:1）和研磨时间（2-10小时）可减少偏析，但需控制粉末形变以保持流动性（球形度>90%）。案例：

Figure 2. Summary of recent studies on laser-based AM fabricated Al-based alloys and HEAs

管式混合：应用：适用于简单元素或预合金粉末混合（如Ti-12Mo合金）。通过双峰颗粒分布（粗粉15-45 μm +细粉5-15 μm）优化铺粉密度（理论密度>95%），但需结合激光参数调整以补偿元素熔点差异（如Mo熔点2623℃ vs. Ti 1668℃）。局限性：宏观偏析难以避免，需后续热等静压（HIP）处理消除孔隙（密度由92%提升至99.9%）。

Figure 3. Summary of recent studies on laser-based AM fabricated Ti-based alloys using powder modification methods of satelliting and electroless plating

2.2 非机械改性方法

核壳结构粉末：Ni镀层Ti粉末：化学镀Ni（厚度200-500 nm）的Ti粉经LPBF制备Ti-0.4Ni合金，避免Ti2Ni脆性相，抗拉强度达1083 MPa，延伸率12%（未镀层Ti：900 MPa，15%）。TiB2/AlSi10Mg：静电自组装纳米TiB2（50-100 nm）均匀负载于AlSi10Mg表面，打印后形成等轴晶（晶粒尺寸5 μm），消除热裂纹并提升疲劳寿命（循环次数由10^5 增至 10^6）。技术：流化床CVD在Ti6Al4V粉末表面均匀包覆碳纳米管（CNTs），提升激光吸收率（由60%增至80%）并抑制脆性Ti2Cu形成。案例：CNTs包覆Ti6Al4V粉末经LPBF打印后，复合材料抗拉强度达1250 MPa（提升15%），延伸率保持8%。化学气相沉积（CVD）：化学镀与静电自组装：

Figure 4. Summary of recent studies on laser-based AM fabricated Al-based alloys, CoCrMo, and stainless steel-based materials

卫星化粉末技术：粘结剂选择：果胶作为环境友好型粘结剂，将Cr3C2颗粒（1-5 μm）吸附于H13工具钢粉末表面，打印后硬度达HRC 55（未增强HRC 50），无C偏析。

Figure 5. Microstructural observations of in situ alloying of Ti-based alloy with various alloying elements

3.1 内部方法：合金元素与孕育剂

合金元素添加：

钛基合金：Cu添加（Q=6.5K）：Ti-5Cu合金中Cu溶质抑制β晶粒生长，促进等轴晶（晶粒尺寸20 μm），抗拉强度867 MPa，延伸率14.9%。但过量Cu（>8 wt.%）导致Ti2Cu脆性相析出，延伸率降至2.9%。Fe添加（Q=3.8K）：Ti-5Fe合金形成纳米α/β双相结构，屈服强度1100 MPa，延伸率8%（未增强Ti6Al4V：950 MPa，10%）。铝基合金：Si添加（4 wt.%）：Al-Si合金共晶相（Al-12Si）降低熔点（577℃→~550℃），消除热裂纹，致密度达99.5%。纳米TiB2增强：TiB2/AlSi10Mg复合材料中纳米颗粒（0.5 wt.%）细化晶界，疲劳强度由120 MPa提升至180 MPa。

Figure 6. Microstructural observations of in situ alloying of Ti-based alloy with various alloying elements

孕育剂：LaB6分解：添加0.1 wt.% LaB6至Ti6Al4V，分解为La2O3和TiB针状相，晶粒尺寸由200 μm细化至30 μm，但过量TiB导致脆性断裂（延伸率由10%降至4%）。TiN颗粒：1 wt.% TiN作为异质形核核心，促进等轴β晶粒（尺寸50 μm），提升Ti-6Al-4V冲击韧性至40 J（未增强35 J）。

Figure 7. (a) EBSD IPF maps of as-printed Al-Si alloys with various Si content

3.2 外部方法：工艺辅助技术

超声波辅助：机制：20 kHz超声波引发熔池空化效应，破碎枝晶并促进等轴晶（晶粒尺寸由柱状100 μm→等轴50 μm）。案例：超声辅助DED打印Ti6Al4V，抗拉强度由900 MPa提升至1100 MPa，各向异性消除（横向/纵向强度差异

Figure 8. Summary of microstructural observations of Ti-based alloy, Al-based alloy, and stainless steel in situ alloying with various inoculants

中间层设计：NiCr夹层：在Ti6Al4V/不锈钢界面引入50 μm NiCr层，抑制Fe-Ti脆性相，剪切强度由50 MPa提升至300 MPa。Cu过渡层：Ti/Al异种材料界面添加Cu层（100 μm），避免TiAl3脆性相，界面结合强度达200 MPa。

Figure 9. Microstructural observations of in situ alloying of stainless steel with TiC inoculants

设备改进：多料斗系统：定制化LPBF设备实现Ti-Ta梯度材料（0-100% Ta）连续打印，成分过渡区宽度

Figure 10. Summary of MMAM using ex-situ control methods to achieve CET and grain refinement

4.1 相变动力学与数值模型

JMAK模型：应用：预测Ti6Al4V中β→α相变动力学。冷却速率5°C/s时，α板条厚度1 μm；20°C/s时，α'马氏体主导，板条厚度0.2 μm，硬度由HV 350增至400。验证：IN718合金WAAM过程中γ''相体积分数模拟值（25%）与实验（23%）误差相场-有限体积耦合模型：多尺度模拟：模拟AlSi10Mg熔池流动与晶粒生长，预测孔隙分布（模拟孔隙率1.2% vs. 实验1.5%），优化扫描间距（由100 μm调整至80 μm）以减少未熔合。

Figure 11. Summary of using kinetic modeling to control phase transformations in MMAM

4.2 缺陷抑制策略

能量密度优化：VED公式：( \text{VED} = \frac{P}{v \cdot h \cdot t} )（P=激光功率，v=扫描速度，h=光斑直径，t=层厚）。对Al6061，VED=60 J/mm³（P=200 W，v=1 m/s，h=100 μm，t=30 μm）时孔隙率案例：LPBF打印Ti-5Cu合金，VED=70 J/mm³时致密度达99.8%，VED=50 J/mm³时孔隙率升至2.5%。熔池动态模拟：VOF模型：揭示锁孔形成阈值（激光功率>250 W时），指导参数选择（P=200 W，v=1.2 m/s）抑制气孔。后处理技术：热等静压（HIP）：Ti6Al4V在920℃/100 MPa处理2小时，孔隙率由0.5%降至0.02%，疲劳寿命提升3倍。应力退火：Al基复合材料（AlSi10Mg+TiB2）在300℃退火1小时，残余应力降低80%，延伸率由8%恢复至12%。

Figure 12. Summary of using phase-field models to predict solid-state phase transformation

5.1 成果总结

材料创新：通过原位合金化开发了高强度钛基合金（如Ti-5Cu, 1309 MPa）、耐热铝基复合材料（如TiB2/AlSi10Mg, HV 220）及高熵合金（如CoCrFeMnNi, 抗拉强度1.2 GPa）。工艺突破：超声波辅助、中间层设计及多料斗系统显著提升了多金属结构的界面性能与成分控制精度。模型支持：JMAK、相场模型与实验结合，实现了微观结构预测与缺陷抑制（孔隙率

Figure 13. Summary of using modelling to control defects in MMAM

5.2 未来挑战

规模化生产：流化床CVD包覆技术需降低成本（当前成本500/kg→目标100/kg），推动核壳粉末工业化应用。多尺度模拟：融合机器学习与物理模型，建立从熔池动力学（μm级）到组件疲劳性能（m级）的全链条预测体系。标准化：制定多金属AM材料数据库与认证标准（如ASTM/ISO），加速航空航天部件认证。跨学科融合：探索激光-超声复合工艺（目标晶粒尺寸