清华大学、北京理工大学等成果：实现材料“混搭”——异质熔丝增材解锁多材制造新技能 | 中国激光

发布时间：2026-04-22来源：爱光学

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）

北京理工大学刘长猛教授团队受邀撰写的文章被评选为专辑内封面文章。团队综述了多金属构件制备领域中异质熔丝增材制造技术的最新研究进展，系统介绍了界面结合调控及沉积成形过程调控的重要研究成果，并深入探讨了该技术在多金属构件工程化应用中面临的关键挑战与未来发展方向。

封面解读

封面聚焦航空航天领域关键零部件，展示了面向未来航空制造的异质材料一体化成形技术路径与前沿科学探索。异质熔丝多材料增材制造技术依托激光、电子束或等离子弧高能束流，驱动多路异质丝材实现精准协同沉积，进而实现材料组元的连续梯度分布。该技术不仅可实现异质材料间的牢固冶金结合，还能有效满足构件在极端服役环境下的综合性能需求。

全文链接：李自祥, 孙见龙, 王伟, 谢兴, 刘冰, 郁泽清, 白富友, 刘长猛. 异质熔丝增材制造多材料构件研究进展（特邀）[J]. 中国激光, 2026, 53(4): 0402303.

引言

随着航空航天领域的迅速发展，极端服役环境对关键构件的材料性能提出了更为严苛的要求。多材料构件因具备性能梯度可设计、结构轻量化及经济效益显著等特性，在航空航天制造中极具应用价值；然而，传统制造工艺受限于流程冗长、成本高昂及异质界面结合可靠性不足等瓶颈，严重阻滞了其工程化应用进程。

异质熔丝增材制造技术凭借高材料利用率、优异的成分与结构设计自由度，有望突破现有技术瓶颈，为高性能多材料构件的制备提供一种颠覆性的技术路径。

北京理工大学刘长猛教授团队综述了多金属构件制备领域中异质熔丝增材制造技术的最新研究进展，系统介绍了界面结合调控及沉积成形过程调控的重要研究成果，并深入探讨了该技术在多金属构件工程化应用中面临的关键挑战与未来发展方向。

关键技术进展

1、异质熔丝增材制造多金属构件制备

异质熔丝增材制造技术突破了传统单丝沉积工艺只能制备匀质单材料构件的局限，以按需切换不同种类的丝材作为成形原料，可实现多种金属材料的精准沉积。

结合增材制造技术的“离散-堆积”成形原理，该技术能够在构件的任意位置实现指定金属材料的沉积成形。在理论层面上，通过对送入熔池的丝材种类进行精细化调控，可实现“熔池级”的成分编程与控制，即将构件的成分控制精度细化到单个熔池尺度，目前其主流组合方式如图1所示。

图1 多金属材料构件的常见组合方式。（a）直接连接式；（b）逐层切换式；（c）过渡连接式；（d）梯度渐变式

逐层切换式多金属构件示例如图2所示。

图2 异质熔丝增材制造逐层切换多金属构件。（a）SS316LSi/ER70S-6;(b)Al-Cu/Al-Si

2、异质材料界面调控

异质金属界面调控的核心挑战主要体现在两方面：

其一，异质金属间物理化学性质的固有差异（如熔点、热导率、热膨胀系数等），使得界面在增材沉积的往复循环温度场中易产生显著热应力，进而导致构件变形、开裂甚至成形失效。

其二，部分异质金属在增材冶金过程中，易在熔池凝固阶段析出金属间化合物，尤其当化合物连续分布时，极易成为裂纹萌生源，严重影响界面结合强度。目前路径规划、成分设计及能场辅助是解决异质界面问题的有效手段。

超声振动辅助逐层梯度过渡异质界面调控如图3所示。

图3 超声振动辅助逐层梯度过渡异质界面调控

3、原位冶金与过程调控

异质熔丝增材制造技术在多材料构件制备中的核心竞争力，在于其能够实现材料的原位冶金合成。然而，原位冶金反应诱导新材料生成的过程亦伴随着严峻的冶金质量挑战。与之相对应，异质熔丝增材制造沉积过程主要包含“熔滴冶金区”与“熔池冶金区”两个阶段。如何保证“熔滴冶金”的稳定性及“熔池冶金”的充分性是该技术亟需解决的两大问题。

多丝材协同送进过程的复杂性及传质过程稳定性是影响冶金质量的首要挑战。为保障原位合成材料的成分精准性，工艺上往往需要选用不同类型、不同送进速度乃至不同直径的丝材。在相同的热输入条件下，物性参数存在差异的丝材，其熔化行为与熔滴过渡行为会表现出显著不同。开展在线监测及闭环调控研究是解决该技术的主要手段。

异质熔丝增材过程本质上类似于熔池“微铸造”过程，“熔池冶金区”的持续时间与内部对流模式同样是决定原位冶金质量的关键因素。开展热源扫描、多热源协同等熔池传质行为调控技术是解决熔池冶金不足的关键手段，如图4所示。

图4 交替脉冲热源熔池原位冶金调控

挑战与展望

异质熔丝增材制造技术突破了传统加工工艺在多材料构件成形领域的局限，在成分设计与结构设计方面展现出显著优势；然而，作为一项新兴技术，下列挑战及未来发展方向值得关注：

（1）成分分辨率不足。常规条件下，异质熔丝增材制造技术通常以“熔池”作为成分调控单元。缩小熔池尺寸、提升成分分辨率是该技术的重点发展方向之一。

（2）成形样件及成分变化简单。尽管异质熔丝增材制造技术在成分设计与结构设计方面具备显著优势，但目前成分设计相对单一，充分发掘该技术在多金属构件加工领域中的应用潜力，已成为该技术的重要发展方向。

（3）成形过程复杂且稳定性差。异质熔丝增材过程中，熔滴过渡行为复杂多变、工艺调控参数繁多且沉积过程具有显著的时变性特征。发展异质熔丝沉积过程的在线监测与闭环控制技术，提升沉积过程稳定性，已成为该技术亟待发展的另一重要方向。

通信作者简介

刘长猛，教授/博导，国家级高层次青年人才，现任机械与车辆学院院长助理。研究方向金属增材制造。主持了国家重点研发计划项目（首席科学家）、国家自然科学基金青年科学基金项目（B类）/面上/青年项目、国防基础科研重点项目等10 余项。共发表学术论文106 篇，其中以第一/通讯作者发表SCI 论文56 篇。第一发明人授权国家发明专利21 项。成果应用于兵器、航天、航空、船舶等国防领域。研究成果得到全国新闻联播、人民日报、新华社、中央电视台等报道。担任国家中长期发展规划（2021-2035 年）“增材制造与激光制造”领域规划青年专家、中国机电一体化协会理事等。

第一作者简介

李自祥，清华大学博士/博士后，清华大学“水木学者”，主要研究方向为高能束熔丝增材制造装备与工艺、过程控制及模拟仿真技术。主持国家自然科学基金（C类）、国家重点研发计划子课题、博士后面上等项目，以第一/通讯作者在Internationl Journal Machine Tool and Manufacture、Additive Manufacturing（5篇）、 Journal of Materials Science & Technology 等期刊发表论文二十余篇，授权专利7项，H因子17。获清华大学优秀博士论文、北京市优秀毕业生、博士国家奖学金等奖励。曾受邀担任第四届增材制造技术国际高峰论坛电子束增材分会场主席、AMF青年编委、《Lubricants》及《Applied sciences》客座编辑等。

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。