引言
在航空航天、能源裝備和醫療器械領域，傳統異種金屬焊接的界面應力與材料不相容問題長期困擾工程師。近期，德國亞琛工業大學團隊在《Frontiers of Mechanical Engineering》發表突破性研究，通過激光重熔（Laser Remelting, LR）技術，成功在激光粉末床熔融（L-PBF）工藝中實現銅/鋼功能梯度材料（FGM）的平滑過渡，為解決這一行業難題提供了全新方案。

一、梯度材料制造的世紀難題

功能梯度材料（FGM）通過成分連續漸變，可完美融合不同金屬的優異性能。然而傳統制造工藝如擴散焊接需耗時數小時，粉末冶金面臨尺寸變形風險，熱噴涂技術僅限表面涂層。即便新興的3D打印技術，也因熔池壽命短、材料混合不充分，導致層間界面呈現"階梯狀"突變。這種離散過渡會引發應力集中，嚴重影響部件服役壽命。

研究團隊負責人Alexander Schmidt指出："現有多材料增材制造的最大瓶頸，在于熔池內Marangoni對流與熱擴散的協同作用未被充分激活。"

二、激光重熔：喚醒熔池的"攪拌之力"

該研究創新性地在每層打印后增加激光二次掃描。實驗顯示，當對800W功率成形的銅/鋼界面施加LR處理時：

  1. 混合深度倍增：銅向鋼基體的滲透深度從190μm增至350μm，反應區厚度擴大2倍
  2. 梯度平滑化：EDX分析顯示鐵/銅濃度曲線斜率降低40%，形成連續過渡帶
  3. 缺陷革命性減少：孔隙率下降60%，表面粗糙度Ra值改善35%

"這相當于給每個材料層增加了'分子級攪拌器'。"論文第一作者Felix Jensch解釋，"首次熔融形成宏觀混合，重熔過程通過延長液態時間，讓Marangoni對流充分攪動熔池，同時熱擴散實現微觀成分均質化。"

三、跨界融合的冶金魔術

在銅（熔點1083℃）與鋼（熔點約1500℃）的跨界組合中，研究團隊觀察到驚人的相變現象：

  • 超飽和固溶體：銅基體中鐵含量達5.9wt%，遠超常溫下4.1wt%的固溶極限
  • 納米級析出相：界面區形成20-30nm的富鐵顆粒，構成"銅網鐵珠"復合結構
  • 非晶相生成：快速冷卻導致局部出現非晶態，提升材料韌性

這種"梯度+納米強化+非晶"的多級結構，使界面區的顯微硬度提升19%，延伸率增加59%。德國材料學會專家評價："這打破了傳統FGM單純依賴成分梯度的局限，開創了跨尺度協同強化的新范式。"

四、工業應用的曙光

相比單純提高激光功率（實驗顯示會導致氣孔率激增），LR技術展現出獨特優勢：

  • 工藝兼容性：可在現有L-PBF設備上改造實現，單次重熔能耗僅增加15%
  • 材料普適性：已成功應用于鈦/不銹鋼、鎳基高溫合金等組合
  • 經濟性突破：減少50%過渡層數，降低多粉末管理系統復雜度

目前，該技術已在渦輪葉片熱障涂層、火箭發動機燃燒室內襯等場景開展驗證。慕尼黑工業大學合作項目顯示，采用LR處理的銅/鋼電極壽命提升3倍，核聚變裝置第一壁材料的熱沖擊耐受性提高40%。

五、通向未來的梯度革命

盡管仍需攻克大尺寸構件變形控制等挑戰，這項研究無疑為多材料3D打印指明新方向。正如《Nature》材料學期刊評論："當激光重熔遇見智能算法，或許5年后我們將看到從微米級電路到米級船用曲軸的全梯度制造——這不僅是材料的漸變，更是制造思維的質變。"

研究團隊透露，下一步將開發LR過程的實時監測系統，通過熔池光譜分析實現梯度參數的動態調整。這場由激光重熔引發的制造革命，正在重新定義材料與功能的邊界。

來源: ?FME機械工程前沿