1、研究背景

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，零部件所處的工作環(huán) 境愈加復(fù)雜，通常要求具備多功能耦合及廣泛的環(huán)境 適應(yīng)能力。然而，由傳統(tǒng)制造方法所生產(chǎn)的單一材料 零部件，逐漸難以滿足這些多樣化的需求。通過結(jié)合 不同材料的優(yōu)異性能，多材料結(jié)構(gòu)能夠有效滿足多種 工況的要求，因此在航空航天、汽車、電子元件、核能及包裝等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力日益受到關(guān)注。近年來， 迅猛發(fā)展的增材制造技術(shù)，為解決傳統(tǒng)加工方法在金 屬多材料制造中的性能瓶頸、低生產(chǎn)效率及難以加工復(fù)雜零部件形態(tài)等問題提供了新的解決方案。增材制造技術(shù)能夠通過直接連接以及過渡連接（例如中間層 和成分梯度）的方式，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性的多材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 與制造 [1-3]。

定向能量沉積（direct energy deposition，DED） 和粉末床熔融（powder bed fusion，PBF）是兩種主 要應(yīng)用于金屬多材料制造的增材制造技術(shù) [4-7]。PBF技術(shù)以其卓越的成形精度和對復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的適應(yīng) 性而廣受關(guān)注，能夠進(jìn)行精密的多材料界面制造， 適用于高精度、多功能的小型部件制造。相比之下，DED技術(shù)在大規(guī)模高效制造方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu) 勢，尤其是在制造功能梯度材料（functionally graded materials，F(xiàn)GMs）時(shí)，通過連續(xù)調(diào)控材料成分，可 實(shí)現(xiàn)單一部件內(nèi)性能的空間分布優(yōu)化。

鈦合金因其高比強(qiáng)度、優(yōu)異的抗疲勞性、良好的 生物相容性以及高耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空航天、 醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域。根據(jù)晶體微觀組織的不同，鈦合金分為 α 鈦合金（TA）、β 鈦合金（TB）和 α-β 雙 相鈦合金（TC）。然而，鈦合金與異種金屬的多材 料結(jié)合面臨兩方面的限制。首先，多材料之間的物理 性質(zhì)差異，尤其是熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容等熱物理性質(zhì)，可能導(dǎo)致界面處材料凝固行為的改變， 從而誘發(fā)凝固裂紋等缺陷。在增材制造過程中，由于 冷卻速率極快，多材料界面處的高溫梯度可能會(huì)引起 較大的殘余應(yīng)力，進(jìn)而表現(xiàn)為不均勻的微觀組織[8-9]。 其次，鈦合金與多種金屬元素（如 Fe、Al、Ni 等） 之間的互溶度較低，這在熔池中可能導(dǎo)致反應(yīng)，形成脆硬的金屬間化合物（intermetallics，IMCs）。這些 脆硬的 IMCs 在凝固后顯著提高了多材料界面區(qū)域的 硬度，但卻降低了抗拉強(qiáng)度與韌性，甚至可能導(dǎo)致界 面的脆性斷裂。

不銹鋼，以其優(yōu)異的機(jī)械性能、良好的抗腐蝕 性以及較為良好的成形性，廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、 航空航天、能源等領(lǐng)域。鈦合金與不銹鋼的多材料結(jié) 構(gòu)因其優(yōu)異的耐腐蝕性、較高的強(qiáng)度和相對較低的制 造成本，可以在化學(xué)及核工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[10]。 然而，采用傳統(tǒng)焊接方法制備的鈦/鋼多材料結(jié)構(gòu)， 在結(jié)合界面處，由于熱影響區(qū)的存在，易形成較厚的IMCs 層。脆性的 TiFe 和 TiFe₂ 會(huì)在界面處析出并顯 著降低結(jié)合強(qiáng)度 [11-12]。此外，由于鈦合金與不銹鋼 的熱膨脹系數(shù)差異較大，凝固過程中殘余應(yīng)力的釋放 可能導(dǎo)致多材料界面處產(chǎn)生裂紋，從而限制了力學(xué)性能 [13]。

對于鈦/鋼的多材料組合，本文深入探討了不同中間層對界面反應(yīng)合金成分的隔絕效果，并將傳統(tǒng)的 焊接工藝拓展至增材制造領(lǐng)域。通過分析增材制造過 程中的工藝參數(shù)、金屬材料固有特性以及合金元素的 摻雜效應(yīng)，揭示這些因素對熔池狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)演化 的影響，旨在深入探討影響多材料界面成型質(zhì)量的 關(guān)鍵因素，并系統(tǒng)評估其對力學(xué)性能的影響。最后， 通過分析先進(jìn)增材制造技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，展望激光增 材制造在金屬多材料結(jié)構(gòu)加工中的關(guān)鍵技術(shù)問題及面向包裝產(chǎn)業(yè)的未來研究方向。

2、鈦/鋼多材料連接

鈦合金與不銹鋼多材料界面具有急劇的元素過 渡，兩種材料熱物理性質(zhì)（熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)等）的顯著差異，在熔池內(nèi)凝固過程中導(dǎo)致較高的 殘余應(yīng)力，并可能在界面處產(chǎn)生裂紋等缺陷。因此， 鈦合金與不銹鋼的多材料界面常通過中間層連接，以 隔絕兩側(cè)的反應(yīng)，減少IMCs的生成。通過選擇不同 類型的中間層，結(jié)合不同連接方法，可以獲得形貌和 性質(zhì)各異的界面，具體分析見表 1。

2.1 純金屬中間層連接

對于鈦合金與不銹鋼的多材料連接，通常使 用 Cu、Mg等合金作為中間層，不僅可有效降低制造成本，且可有效減少兩側(cè)反應(yīng)生成的 IMCs。I. Tomashchuk 等 [14] 使用 Cu 作為中間層，通過電子 束焊連接了TC4鈦合金和316L不銹鋼，并研究了 在焊接速度為1.8 m/min 下激光分別偏置在TC4側(cè)和316L側(cè)對多材料界面的影響。結(jié)果表明，激光偏 置在TC4側(cè)會(huì)在界面熔合區(qū)附近產(chǎn)生未熔合缺陷， 而偏置在316L側(cè)，結(jié)合中間層的引入，可有效抑制TC4的熔化，減少TC4與316L反應(yīng)生成的IMCs， 從而提高界面結(jié)合強(qiáng)度（見圖 1）。

Gao M. 等 [15] 使用 Mg 合金作為中間層，通過激 光焊連接了TC4鈦合金與 304L 不銹鋼。界面元素分 析說明 Mg 作為中間層有效阻止了不銹鋼和鈦合金之 間的元素?cái)U(kuò)散與反應(yīng)，減少了IMCs的生成（見圖 2）。 在拉伸試驗(yàn)中，所有樣品均在界面處斷裂，說明 Mg中間層為多材料結(jié)構(gòu)中最薄弱部分。

在焊接過程中，激光偏置可以優(yōu)化焊接效果，適 應(yīng)不同材料的物理性質(zhì)。而增材制造技術(shù)的引入可根 據(jù)不同材料的性質(zhì)選擇合適的參數(shù)，為 Cu 等中間層 帶來了更廣泛的應(yīng)用前景。Tey C. F. 等 [16] 通過引入Cu 中間層，利用 L-PBF 技術(shù)成功連接了TC4鈦合金 和316L不銹鋼，并分析了不同激光參數(shù)對中間層兩側(cè)界面的微觀組織和整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。在316L側(cè)，由于熔池內(nèi)的非均勻?qū)α骰旌?，界面從?至上存在 3 種形貌差異較大的區(qū)域（見圖 3），過渡 區(qū)內(nèi)完全由 ε-Cu 和 γ-Fe 相組成，無反應(yīng)產(chǎn)物。在熔 池中，由于 Fe 的熔點(diǎn)（約 1540 ℃）比 Cu（約 1080 ℃）高，在熔池中316L首先凝固并為 Cu 提供形核點(diǎn)， 因此界面區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)尺寸較小的細(xì)晶。隨著 Cu 中間層 增材制造過程的進(jìn)行，316L的含量進(jìn)一步減少，晶 體的生長逐漸由冷卻方向主導(dǎo)，并沿建造方向逐漸轉(zhuǎn) 變?yōu)橹鶢罹А?/p>

TC4 側(cè)界面過渡區(qū)內(nèi)同樣呈現(xiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu)， 并存在多種不同的相成分，不同激光掃描速度得到的 樣品成分分布也不完全相同（見圖 4）。在過渡區(qū)內(nèi) 存在微裂紋，由非晶區(qū)域萌生，在脆性的 β-Ti+Ti2Cu基底內(nèi)擴(kuò)展并被其中的 α′-Ti 阻隔，由于下方區(qū)域較 高的 Cu 含量，裂紋優(yōu)先向下擴(kuò)展，穿過非晶和 L21相的薄層，最終擴(kuò)展至底部 Cu 中間層內(nèi)。由于 α′-Ti韌性較高且其在脆性 β-Ti+Ti2Cu 中的分布能夠有效 阻止裂紋的擴(kuò)展，因此在不同掃描速度的樣品中，界 面含有最高體積分?jǐn)?shù) α′-Ti 相的 V650 樣品在拉伸過 程中韌性最高，抗拉強(qiáng)度超過 500 MPa。

由于Cu、Mg等單質(zhì)金屬及其合金本身強(qiáng)度較低，其作為中間層連接鈦合金和不銹鋼后，在拉伸過程中 仍會(huì)在界面處斷裂，難以滿足許多使用要求。高強(qiáng)的 金屬材料通常是難熔金屬（W、V、Mo 等），不少 研究嘗試了將高強(qiáng)的難熔金屬 V 作為連接鈦合金與 不銹鋼的中間層，以有效抑制 IMCs 的生成，但高熔 點(diǎn)的 V 中間層在激光焊的加熱下難以與兩側(cè)達(dá)成良 好的冶金結(jié)合 [17-18]。增材制造中的高能量密度為提 高難熔金屬中間層成型質(zhì)量、得到結(jié)合良好的多材 料界面帶來了更多選擇。N. K. Adomako 等 [19] 通過L-PBF 在TC4基板上制造了 V 中間層，然后用 L-DED制造了 17-4PH 不銹鋼，并分析了 L-PBF 過程中掃描 速率對中間層的影響。采用較高激光能量時(shí)，V 中間 層隔離了 17-4PH 中元素的擴(kuò)散，可形成無 IMCs 的 界面（見圖 5）。但大部分難熔金屬作為中間層并不 能完全阻止鈦合金中元素?cái)U(kuò)散。當(dāng)激光能量不足時(shí)， 部分鈦合金中的元素會(huì)擴(kuò)散至中間層內(nèi)，并與不銹鋼 反應(yīng)生成 IMCs[18-19]。且難熔金屬經(jīng)歷高能量的激光 熱輸入成型后，其內(nèi)部往往殘余應(yīng)力水平較高，需要 通過后續(xù)的熱處理調(diào)控強(qiáng)度與韌性以滿足使用需求。

2.2 中高熵合金中間層連接

傳統(tǒng)合金和難熔金屬的各種不足促使中間層的 研究向多成分、多組元合金的方向發(fā)展。近年來，中 高熵合金（MEA/HEAs）打破了由一種或兩種主要金 屬元素構(gòu)成的傳統(tǒng)合金設(shè)計(jì)理念。它們是由具有高混 合熵的多種金屬元素形成的一種合金，由于多種金屬 元素的晶格畸變和位錯(cuò)滑移，在熵合金中傾向于形成 單相結(jié)構(gòu)的固溶體而不是 IMCs[23-25]。復(fù)雜的化學(xué)成 分和晶格畸變導(dǎo)致各種原子在高熵合金內(nèi)部的擴(kuò)散 變得異常困難，被稱為遲滯擴(kuò)散效應(yīng)，這一效應(yīng)有利 于防止在異種金屬連接過程中界面處生成 IMCs 反應(yīng) 層 [26]。

中高熵合金的多種性質(zhì)為隔絕鈦/鋼界面上元 素相互反應(yīng)提供了更好的條件，因此其作為中間層 的應(yīng)用也被逐漸開發(fā)。在 HEA 制造過程中，Ti 和Cu 被認(rèn)為分別與 Zr 和 Ni 相似，因?yàn)槎叩幕旌响?相近 [27-28]，故用 Zr 取代 Ti、Ni 取代 Cu 來構(gòu)建新的HEA 中 間 層。Xia Y. Q. 等 [20-21] 用 TiZrCuNi 中間層 釬焊連接了TC4鈦合金和316L不銹鋼，并研究了其中Ni和Zr元素含量對界面微觀組織和力學(xué)性能的影響。

Ni 元素削弱了 HEA 中間層在TC4側(cè)的潤濕性， 并使釬焊接頭的界面過渡區(qū)變厚。過渡區(qū)內(nèi)存在 3個(gè)反應(yīng)層，反應(yīng)層內(nèi)形成了 FeTi、Fe₂Ti、FeCr 和 α-Fe相，大量 IMCs 的分布導(dǎo)致界面成為整體結(jié)構(gòu)中最 薄弱部位（見圖 6）。FeTi 與 Fe₂Ti 相之間的界面 存在非共格現(xiàn)象，晶格不匹配度達(dá)到 61.4%，導(dǎo)致 在 ( β-Ti + FeTi)/Fe2Ti 界面處出現(xiàn)裂紋。裂紋主要沿 著 Fe₂Ti 和 FeCr 層傳播，具有脆性特征。釬焊接頭 的強(qiáng)度隨 Ni 含量上升呈現(xiàn)先增后降的趨勢，Ni 含量 為 11% 時(shí)，最大剪切強(qiáng)度為 318 MPa[20]。Zr 元素同樣削弱了中間層在TC4側(cè)的潤濕性， 并使界面過渡區(qū)變厚。但由于 Ti 向316L側(cè)的擴(kuò)散被阻止，α-Fe 反應(yīng)層的厚度變?。ㄒ妶D 7）。亞微米β-Ti 相在 FeTi/Fe₂Ti 界面附近沉淀，并且和 FeTi 和Fe₂Ti 相之間存在復(fù)雜的取向關(guān)系。釬焊接頭的剪切 強(qiáng)度隨著 Zr 含量的增加，先增加后減小，在 Zr 含量 為 22.2% 時(shí)達(dá)到峰值 238 MPa。FeTi/Fe₂Ti 界面處的 應(yīng)力集中和取向關(guān)系導(dǎo)致了釬焊接頭在 FeTi/Fe₂Ti 界 面處發(fā)生了脆性斷裂 [21]。

傳統(tǒng)焊接方式加工的高熵合金難以達(dá)成各成分的完全融合，因此無法完全達(dá)成遲滯擴(kuò)散效應(yīng)以阻止 兩側(cè)反應(yīng) IMCs 的生成。增材制造技術(shù)的引入拓展了更多種類的高熵合金作為中間層的應(yīng)用。Jiang T.等[22]采用 L-DED 的方法，通過 FeCrCuV 中間層成功連接 了TC4鈦合金和316L不銹鋼，得到了結(jié)合良好的多 材料界面（見圖 8）。316L側(cè)界面良好，無明顯裂 紋，分界較為明顯，EDS 元素分析也表明沒有明顯的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象。TC4側(cè)界面有明顯的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，MEA中間層中的Cu在向TC4側(cè)擴(kuò)散過程中出現(xiàn)明顯的富集區(qū)。相反地，由于遲滯擴(kuò)散效應(yīng)，TC4 側(cè)中 的元素向MEA中間層擴(kuò)散較少。通過MEA中間層連接的多材料界面抗拉強(qiáng)度達(dá)到（253±15）MPa， 相比其他中間層或其他制造方式有明顯提升[22]。

目前，對高熵合金成分體系的系統(tǒng)性研究有限， 需針對不同異種金屬體系篩選出最優(yōu)化的高熵合金 中間層材料成分。且由于高熵合金中各元素的熔化溫 度差異較大，在增材制造過程中可能導(dǎo)致非均勻的 組織或不理想的界面結(jié)合，需要通過進(jìn)一步的優(yōu)化探 索合適的加工參數(shù)、粉末選擇和熱處理工藝。因此， 通過增材制造高熵合金作為鈦合金與不銹鋼連接的 中間層材料仍缺乏廣泛的應(yīng)用 [29]。

未來，隨著增材制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究將集 中在優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)，改善多材料界面 性能。此外，借助多尺度建模與模擬，可以預(yù)測高熵合金在增材制造過程中的行為，為工藝優(yōu)化提供指 導(dǎo)，進(jìn)一步拓展增材制造高熵合金在鈦合金與不銹鋼 中間層領(lǐng)域的應(yīng)用。

3、結(jié)論與展望

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，異種金屬間的多材 料連接問題逐漸成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。 傳統(tǒng)的熔焊、釬焊、攪拌摩擦焊、激光偏置焊等方法 在一定程度上解決了金屬材料間的連接問題，但由于 不同金屬之間的熱物理性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)特性和熔化行 為差異，連接過程中常常會(huì)產(chǎn)生不利的界面反應(yīng)或冶 金問題，影響連接質(zhì)量與性能。特別是在鈦合金與 鋁合金 [30-32]、不銹鋼等金屬材料連接時(shí)，這些差異 更加顯著，因此必須精確控制連接過程中的熱輸入、熔池動(dòng)力學(xué)以及冷卻速率，以確保焊接區(qū)域的冶金結(jié) 合質(zhì)量達(dá)到要求。

對于鈦/鋼多材料的結(jié)合，界面反應(yīng)與冶金結(jié)合 質(zhì)量是影響連接效果的核心因素。鈦合金與鋼不互 溶的化學(xué)成分和物理性質(zhì)較大的差異通常導(dǎo)致界面 區(qū)域的多種缺陷，不僅降低了接頭的力學(xué)性能，還可能造成連接區(qū)域的應(yīng)力集中，甚至導(dǎo)致界面失效。 通過精確調(diào)控焊接參數(shù)、合理選擇焊接材料可以緩解 上述問題。

增材制造技術(shù)的引入為鈦/鋼多材料連接提供更 多的創(chuàng)新路徑。傳統(tǒng)焊接方法通常依賴于固定的焊接材料，而增材制造能夠根據(jù)需求靈活調(diào)整材料成分和 結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)應(yīng)用多種中間層以減少界面處鈦合金與鋼中元素的互相反應(yīng)，可以平滑不同金屬間的成分變 化，從而優(yōu)化界面微觀結(jié)構(gòu)。通過增材制造技術(shù)引入的中間層能夠有效減少脆性相的生成，改善界面的抗 拉強(qiáng)度、抗疲勞性能和斷裂韌性，顯著提升連接效果，避免了傳統(tǒng)焊接中由于材料不兼容導(dǎo)致的界面失效。 這不僅提高了連接部件的強(qiáng)度和耐腐蝕性能，還改善了結(jié)構(gòu)的整體性能，使得這些連接部件在航空航天、 汽車、海洋工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著包裝領(lǐng)域工業(yè)應(yīng)用需求的不斷提高，金屬多 材料連接技術(shù)亟需進(jìn)一步提升其適應(yīng)性和可靠性，以 滿足包裝機(jī)械、金屬容器、包裝教具等產(chǎn)品日益增長 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量要求。特別是在食品包裝、醫(yī)藥包 裝及高端工業(yè)包裝等高要求領(lǐng)域，金屬多材料連接技 術(shù)的應(yīng)用將有助于提升包裝產(chǎn)品的性能，如增強(qiáng)抗壓 強(qiáng)度、提升密封性能以及延長使用壽命等。通過技術(shù) 的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，金屬多材料連接將在更多包裝細(xì) 分領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，推動(dòng)包裝制造產(chǎn)業(yè) 的發(fā)展與升級(jí)。未來，隨著材料科學(xué)、制造工藝以及 智能制造技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，金屬多材料結(jié)構(gòu)將在包裝 裝備領(lǐng)域的應(yīng)用潛力將得到進(jìn)一步釋放，帶來全新的 設(shè)計(jì)理念和技術(shù)方案，進(jìn)而推動(dòng)包裝行業(yè)向更高效、 更環(huán)保、更智能的方向發(fā)展。

綜上所述，鈦合金與鋼的多材料連接研究已取得 了顯著的進(jìn)展，尤其是在增材制造技術(shù)的應(yīng)用方面， 展示了廣闊的前景和巨大潛力。盡管如此，現(xiàn)階段 的研究仍然存在一些挑戰(zhàn)，特別是在界面反應(yīng)控制、 材料設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化等方面仍需進(jìn)一步深入探索。在 未來的研究中，需要結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算模擬技術(shù)、實(shí)驗(yàn) 方法和多尺度表征手段，深入研究不同金屬間的連接機(jī)理及界面反應(yīng)規(guī)律。同時(shí)，隨著工業(yè)應(yīng)用需求的不 斷提高，金屬多材料連接技術(shù)必須進(jìn)一步提升其適應(yīng) 性和可靠性，以滿足包裝機(jī)械、包裝金屬容器及包裝 教具等領(lǐng)域日益增長的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量要求。通過技 術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，金屬多材料連接將在更多的領(lǐng) 域展現(xiàn)出其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與 升級(jí)。

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