华南理工大学金属增材制造团队打造3D打印铜/钛异质材料，揭示铜/钛界面“密码” | 中国激光·专题封面

为集中展示我国在多材料构件增材制造领域的最新研究成果、促进学术交流、推动相关领域向纵深发展，《中国激光》特推出“多材料构件增材制造”专题。（点击查看专题网页）

华南理工大学杨永强教授团队受邀撰写的文章被评选为专辑封面文章。团队采用LPBF技术制备了TC4-NAB异质材料结构，探究了成形顺序对LPBF制备铜/钛异质材料界面性能的调控机理。相关结论对航空航天、高端海洋装备等领域轻质耐蚀构件的设计与制造具有指导意义。

封面解读

封面展示了激光粉末床熔融成形铜/钛异质材料的界面结合特征示意图。近红外激光束辐照于 TC4 基体与镍铝青铜（NAB）合金粉末的交界处，其中紫色、蓝色与黄色圆球分别代表 Ti、Al和 Cu 原子。激光能量在界面处被 Ti原子吸收，而 Cu 原子对红外波段激光具有反射作用，二者协同促进了 Cu 原子与 Ti原子之间的结合。在 TC4 基体上成形 NAB 材料可实现无缺陷界面结合，适用于舰船螺旋桨叶片的轻量化设计。在非平衡凝固条件下，沿沉积方向在 TC4/NAB界面处获得了胞状晶→柱状晶→等轴晶→超细等轴晶连续过渡的梯度微观组织。

全文链接：王迪, 邹于金, 董志, 凌陈荣, 郑小强, 胡高令, 杨永强, 韩昌骏. 激光粉末床熔融成形TC4‑NAB异质材料界面特性与结合性能研究（特邀）[J]. 中国激光, 2026, 53(4): 0402304.

研究背景

由镍铝青铜合金（NAB）与 TC4钛合金结合形成的铜/钛异质材料，融合了NAB合金卓越的耐腐蚀性能和 TC4合金的轻质高强特性，有望应用于船舰推进系统中螺旋桨叶片制造，为解决螺旋桨因重量过大导致推进效率低下的工程问题提供解决方案。

然而，铜/钛异质材料在物化特性及冶金相容性上差异显著，在激光粉末床熔融（LPBF）成形过程中，界面易形成脆性金属间化合物，并因热应力集中引发开裂、分层等缺陷；尤其铜合金对红外激光反射率高，成形致密度与力学性能难以保障。因此，如何通过LPBF技术成形铜/钛异质材料、以及如何调控其界面性能，是螺旋桨异质叶片制造亟需解决的核心问题。

创新工作

针对铜/钛异质材料在传统连接中界面结合性能不佳的共性问题，华南理工大学杨永强教授团队围绕激光粉末床熔融技术，系统开展了TC4-NAB异质材料界面形成机理与性能调控研究，重点揭示了成形顺序对界面冶金行为与力学性能的关键影响。

研究采用气雾化NAB（Cu9.5Al4.5Ni4Fe）与TC4（Ti6Al4V）合金粉末，依托华南理工大学增材制造实验室自主研发的多材料LPBF系统，制备“TC4/NAB”与“NAB/TC4”两种沉积顺序的铜/钛异质材料样件。综合运用OM、SEM/EDS、微区XRD、EBSD、纳米压痕及室温拉伸等多尺度表征方法，系统解析了界面形貌、成分、物相、晶粒结构及力学性能。

研究结果表明，通过调控熔池热历史与元素扩散路径，成形顺序直接决定界面结合质量（图1）。TC4先成形时，其低导热与高激光吸收率为后续NAB熔池提供了稳定热环境，促进匙孔熔化模式，在Marangoni对流与重力协同作用下形成宽度约150 μm的扩散层，界面结合完好。相反，NAB先成形时，因高反射、高导热特性导致能量吸收不足、熔池冷却过快，元素交互受限，并引发显著热应力，最终在界面产生约5 μm宽的贯穿裂纹。

图1 不同成形顺序下LPBF制备TC4-NAB异质材料的界面SEM图与EDS分析结果。（a-c）TC4基体上成形NAB合金；（d-f）NAB基体上成形TC4合金

在非平衡凝固条件下，TC4/NAB界面沿沉积方向呈现胞状→柱状→等轴→超细等轴的梯度晶粒结构。界面物相除α-Cu与α/α′-Ti固溶体外，生成了以CuTi相为主，包括Al₅Ti₂Cu、Ti₂Cu、Cu₂Ti、AlCu₂Ti在内的多种金属间化合物（图2）。

图2 LPBF成形TC4/NAB异质材料界面微区物相组成及晶粒特征。（a）XRD图谱；（b）晶粒结构；（c）相分布图

研究明确了Al元素的关键调控作用，其优先与Ti键合并结合Cu，形成热力学更为稳定的三元金属间化合物，有效抑制了连续脆性二元CuTi系脆性相的生成与粗化，显著增强了界面结构稳定性。力学性能测试表明，TC4/NAB异质界面的抗拉强度达到766.58 MPa，断裂呈现典型脆性特征。

结论与展望

该工作成功采用 LPBF 技术制备了 TC4-NAB 异质材料结构，阐明了成形顺序对LPBF制备铜/钛异质材料界面性能的调控机理，针对物理与化学性能差异显著的异质金属材材料，研究提出优选低导热、高熔点材料作为成形基体有助于提升界面质量，相关结论对航空航天、高端海洋装备等领域轻质耐蚀构件的设计与制造具有指导意义。

后续研究将聚焦于界面结构的主动设计与性能优化；重点探索通过成分梯度过渡层、激光重扫描策略或引入合金化中间层，进一步调控界面金属间化合物的类型、形貌与分布，抑制其生成的同时提升界面结合塑性。

课题组介绍

华南理工大学金属增材制造实验室（负责人：杨永强教授）依托国家金属材料近净成形工程技术研究中心，目前有教授4名，博士/硕士研究生70余名。团队自2002年起开始开展激光粉末床熔融增材制造装备研发与工艺优化相关研究，已应用于医疗器械、航空航天、汽车零部件模具制造等领域。团队研发装备与应用获得第二十四届全国发明展览会“发明创业奖·项目奖”金奖、第七届广东专利奖银奖等荣誉。研究成果“高性能选区激光选区熔化装备与产业化应用”获得广东省科学技术奖二等奖等。

第一作者简介

王迪，华南理工大学教授，博导，研究方向为金属增材制造。入选国家级青年人才计划和广东省杰出青年基金支持，英国伯明翰大学访问学者。在激光选区熔化装备研发、工艺调控与质量控制等方面具有多年研究经验。主持国家重点研发计划课题2项、国家自然科学基金项目5项、省部级重大基础/应用基础项目多项；以第一/通讯作者发表高水平学术论文100余篇，其中ESI高被引论文3篇，他引次数超3400次，入选斯坦福终身科学影响力全球 2%顶尖科学家榜单。以第一发明人授权国内发明专利40余件，PCT 专利3件，其中专利成功转化20余件。主编/共同主编专著6本，参与增材制造国家标准制定20余项。

韩昌骏，华南理工大学教授，博导。研究方向为金属增材制造。入选中国科协青年人才托举工程，主持国家重点研发青年科学家项目、国家自然科学基金（面上/青年/国合）等国家/省部级课题10余项。以第一作者/通讯作者发表SCI论文60余篇，多篇入选ESI高被引，总引超6800次，H指数42。2022-2025年连续入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单。撰写/参编英文专著各1部，参编中文专著2部。

期刊简介

《中国激光》是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊（半月刊）。目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等收录。中国科学院期刊分区表2区（2025）。根据《中国科技期刊引证报告》显示，《中国激光》综合评价总分在本领域内连续多年排名第一。17次被评为“百种中国杰出学术期刊”（获得次数最多的光学期刊）、6次入选“中国精品科技期刊”、2次荣获“百强报刊”称号，并多次获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”等荣誉。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”、《无机非金属材料领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。2024年入选中国科技期刊卓越行动计划项目——领军期刊。

科学编辑 | 华南理工大学 邹于金

编辑 | 沈灵灵

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