受无级变速启发，实现LPBF单层内无需混粉的异质材料界面丝滑过渡

1【导语】

多材料增材制造技术能够将性能迥异的金属材料集成于单一构件，是实现航空航天、核工业等领域复杂构件功能集成的重要途径。然而，在激光粉末床熔融技术中，如何在同一粉末层内实现材料组分的连续、平滑过渡，即构建高质量的水平梯度界面，一直是制约该技术发展的关键瓶颈。

近日，来自哈尔滨工程大学与中国科学院重庆绿色智能技术研究院的杨守峰教授研究团队，在国际机床与制造杂志《International Journal of Machine Tools and Manufacture》期刊上发表研究成果。《International Journal of Machine Tools and Manufacture》是制造业和机械工程领域公认的最顶级的期刊，也是中科院1区的Top期刊。它享有极高的学术声誉，是该领域科研人员心目中理想的投稿刊物。

本论文借鉴无级变速器的机械原理，提出了一种新型的“CVT型界面”设计策略，通过在同一粉末层内构建厚度互补的粉末斜坡，成功实现了316L不锈钢与IN718高温合金之间的无预混、连续梯度过渡，为多材料增材制造的界面工程提供了新的设计思路。

文章链接：
https://doi.org/10.101/j.ijmachtools.2026.104384

2【研究背景：水平梯度界面的制造挑战】

在多材料LPBF工艺中，界面是决定构件综合性能的核心。理想的界面应能实现材料组分、微观结构及力学性能的梯度过渡，以缓解异种材料间的物理不匹配性，避免应力集中。

当前的研究主要集中于垂直方向的界面构建。对于水平方向的梯度界面，现有策略通常依赖于层间材料切换或粉末预混合。层间切换策略只能在宏观尺度上实现离散的材料分布，难以在一个粉末层内形成平滑的组分过渡。而粉末预混合策略则面临材料交叉污染严重、粉末回收利用率低等问题。因此，如何在无预混的条件下，实现对单层粉末内材料分布的连续、精准控制，是当前多材料LPBF领域亟待解决的技术难题。

3【技术方案：CVT启发的层内粉床互补对接】

受CVT通过连续改变传动比实现无级调速的机械原理启发，研究团队提出了一种创新的粉床铺叠策略。其核心在于，摒弃传统的均匀铺粉模式，转而构建具有连续变化厚度的粉末层。

具体实施步骤如下：

（1）构建厚度梯度子层：利用一套自主研发的多微喷嘴粉末沉积系统，通过精确控制喷嘴的移动速度，分别沉积出厚度从22微米到110微米连续变化的316L斜坡粉末层和IN718斜坡粉末层。

（2）互补对接形成复合层：将上述两个厚度梯度完全互补的子层进行垂直堆叠与精准“对接”。较薄的316L区域与较厚的IN718区域互补，反之亦然，从而形成总厚度均匀（约110微米）但面内组分连续变化的复合粉末层。

基于这一基本粉末层单元，团队进一步设计了三种不同的层间堆叠序列，分别命名为CVT_IN/SS（每层均为IN718在上）、CVT_SS/IN（每层均为316L在上）以及 CVT_IN/SS/SS/IN（两种序列交替）。这种设计旨在系统研究粉末堆叠顺序对界面热历史、微观组织及力学性能的影响。

4【核心发现：粉末堆叠序列决定界面演化】

通过系统的实验表征与数值模拟，研究发现粉末的堆叠顺序是一个关键的过程控制变量，它决定了熔池的凝固热力学与动力学条件，进而影响最终的界面组织与性能。

（1）热历史的可编程性：

谁位于粉末层上部，谁将首先被激光辐照。热-力耦合场模拟结果表明，不同堆叠序列导致了显著的冷却速率差异。其中，CVT_SS/IN结构（316L在上）的冷却速率最高，达到了1.9×106K/s，比 CVT_IN/SS 结构高出1.0×105K/s。这表明，通过选择堆叠序列，可以主动调控界面的凝固条件。

（2）微观组织的定向调控：

CVT_IN/SS：由于IN718对激光吸收率更高，热积累效应显著，导致晶粒粗化（平均晶粒尺寸132.1微米），并形成了较强的<100>织构。

CVT_SS/IN：更高的冷却速率促进了晶粒细化（平均晶粒尺寸100.8微米），晶粒尺寸分布更均匀，且织构强度明显减弱。

结果表明，粉末堆叠序列可作为独立于激光参数之外的微观组织调控手段。

（3）力学性能的梯度均匀性：

这是评估界面质量的关键指标。纳米压痕测试结果表明，所有CVT结构均实现了从316L侧到IN718侧的强度连续过渡。但定量分析显示，CVT_SS/IN结构在强度过渡区的平均绝对误差最小，为 0.036±0.02 GPa，且显微硬度波动最小（标准差约±11 HV）。这证明该结构实现了最均匀的力学响应，有效降低了因局部性能突变而引发应力集中的风险。微剪切拉伸测试也证实，CVT结构设计显著提升了界面的抗剪切承载能力。

5【科学意义与展望】

（1）方法论创新：将机械工程的CVT概念引入材料加工领域，为在多材料增材制造中实现层内连续梯度提供了一种新范式。

（2）机理揭示：定量阐明了粉末堆叠序列如何通过调控热历史，进而决定微观组织与力学性能梯度，建立了“工艺-结构-性能”之间的内在关联。

（3）实用价值：该策略在不依赖粉末预混的情况下实现了高精度梯度过渡，将粉末利用率提升至90%以上，降低了材料成本与交叉污染，具有良好的工业应用前景。

该研究提出的设计原理不仅适用于LPBF技术，也有望推广至定向能量沉积、粘结剂喷射等其他多材料增材制造领域。未来，结合机器学习与数据驱动的工艺优化，该方法或将为复杂功能梯度构件（如陶瓷-金属、高熵合金体系）的设计与制造提供新的技术路径。

6【主要附图】

图1 配备微喷嘴阵列的多材料LPBF系统，用于层内高精度粉末沉积

图2 本研究中具有CVT型界面的316L/IN718多材料结构设计与LPBF工艺

图3 制备的梯度粉末层形貌：（a）沉积态粉末层照片；（b）半316L层；（c）半IN718层；（d）粉末层1（IN718在316L上）；（e）粉末层2（316L在IN718上）

图4 CVT设计结构中316L/IN718界面的上表面微观结构与成分表征：（a-c）三种结构的EDS元素分布图；（d-e）CVT_IN/SS/SS/IN结构中CVT区域与IN718区域的Al/Ti富集析出物对比

图5 三种结构CVT界面的显微硬度分布曲线

图6 拉剪测试结果：（a）剪切力-位移曲线；（b）拉剪试样断口形貌

图7 多微喷嘴多材料LPBF系统制备的斜纹编织结构演示样品

7【作者简介】

杨守峰，终身讲席教授，研究员，中科院重庆绿色智能技术研究院多材料增材制造专项负责人。1999年7月毕业于清华大学，国家高层次人才计划专家，斯坦福大学世界前2%终身影响力科学家和年度影响力科学家。曾任比利时鲁汶大学（全球排名前50）正教授、英国南安普顿大学（全球排名前100）终身讲席正教授，并担任新加坡南洋理工大学客座教授。目前兼任增材制造顶刊 Additive Manufacturing, Virtual and Physical Prototyping等8个SCI国际期刊编委，同时是英国、美国等11个国家科研基金的评审专家。主持/参与欧盟H2020、英国EPSRC、比利时自然科学基金（FWO）在内的40多项研究项目。发表过200余篇论文，H-指数55（Google Scholar），被引超过18000次。

个人资料来源：
https://www.cqucas.ac.cn/TeachingStaff/DoctoralSupervisor/9752.html

石齐民，博士，研究员，入选中国科学院百人计划。2022年获比利时鲁汶大学KU Leuven增材制造博士学位，2015年、2018年获南京航空航天大学工学学士、工学硕士学位。聚焦高性能多金属材料构件激光增材制造，发表增材制造技术与理论研究论文30余篇，包括Int. J. Mach. Tools Manuf.、Addit. Manuf.、J. Mater. Process Technol.等高水平期刊论文，谷歌引用2400+次，单篇论文最高被引380+次；申请/授权国家发明专利7项；担任中国“高起点新刊”Additive Manufacturing Frontiers 首届青年编委、中国机械工程学会增材制造技术分会青年委员。主持JKW HC 基金优秀团队项目，中科院战略先导专项分项目、省海外优青项目、省自然科学基金重大基础研究项目子课题、鲁汶大学内部资助项目等科技项目10余项。

个人资料来源：https://scholar.google.com.hk/citations?user=xl7Qd9AAAAAJ&hl=zh-CN&oi=ao

第一作者：李琳，2001年7月生，哈尔滨工程大学博士研究生。2022年获太原理工大学工学学士学位。主要研究方向为多材料激光精密增材制造的界面调控，致力于通过工艺-组织-性能一体化调控，解决异质材料界面结合与缺陷控制的关键科学问题。目前已在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》（IJMTM）、《Journal of Materials Processing Technology》（JMPT）等国际知名期刊发表学术论文数篇。

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长三角G60激光联盟陈长军转载

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