1、钻研布景

随着现代工业的急剧发展，，零部件所处的工作环 境愈加复杂，，通常要求具备多职能耦合及宽泛的环境 适应能力。。然而，，由传统制作步骤所出产的单一资料 零部件，，逐步难以满足这些多样化的需要。。通过结合 分歧资料的优异机能，，多资料结构可能有效满足多种 工况的要求，，因而在航空航天、汽车、电子元件、核能及包装等领域的利用潜力日益受到关注。。近年来，， 迅猛发展的增材制作技术，，为解决传统加工步骤在金 属多资料制作中的机能瓶颈、低出产效能及难以加工复杂零部件状态等问题提供了新的解决规划。。增材制作技术可能通过直接衔接以及过渡衔接（例如中央层 和成分梯度）的方式，，实现创新性的多资料结构设计 与制作 [1-3]。。

定向能量沉积（direct energy deposition，，DED） 和粉末床熔融（powder bed fusion，，PBF）是两种主 要利用于金属多资料制作的增材制作技术 [4-7]。。PBF技术以其卓越的成形精度和对复杂几何结构的适应 性而广受关注，，可能进行精密的多资料界面制作，， 合用于高精度、多职能的小型部件制作。。相比之下，，DED技术在大规模高效制作方面展示出显著的优 势，，尤其是在制作职能梯度资料（functionally graded materials，，FGMs）时，，通过陆续调控资料成分，，可 实现单一部件内机能的空间散布优化。。

钛合金因其高比强度、优异的抗委顿性、优良的 生物相容性以及高耐侵蚀性，，宽泛利用于航空航天、 医疗、汽车等领域。。凭据晶体微观组织的分歧，，钛合金分为 α 钛合金（TA）、β 钛合金（TB）和 α-β 双 相钛合金（TC）。。然而，，钛合金与异种金属的多材 料结合面对两方面的限度。。首先，，多资料之间的物理 性质差距，，尤其是热膨胀系数、热导率、比热容等热物理性质，，可能导致界面处资料凝固行为的扭转，， 从而诱发凝固裂纹等缺点。。在增材制作过程中，，由于 冷却速度极快，，多资料界面处的高温梯度可能会引起 较大的残存应力，，进而阐发为不均匀的微观组织[8-9]。。 其次，，钛合金与多种金属元素（如 Fe、Al、Ni 等） 之间的互溶度较低，，这在熔池中可能导致反映，，形成脆硬的金属间化合物（intermetallics，，IMCs）。。这些 脆硬的 IMCs 在凝固后显著提高了多资料界面区域的 硬度，，但却降低了抗拉强度与韧性，，甚至可能导致界 面的脆性断裂。。

不锈钢，，以其优异的机械机能、优良的抗侵蚀 性以及较为优良的成形性，，宽泛利用于构筑、汽车、 航空航天、能源等领域。。钛合金与不锈钢的多资料结 构因其优异的耐侵蚀性、较高的强度和相对较低的制 造成本，，能够在化学及核工业领域获得宽泛利用[10]。。 然而，，选取传统焊接步骤制备的钛/钢多资料结构，， 在结合界面处，，由于热影响区的存在，，易形成较厚的IMCs 层。。脆性的 TiFe 和 TiFe₂ 会在界面处析出并显 著降低结合强度 [11-12]。。此外，，由于钛合金与不锈钢 的热膨胀系数差距较大，，凝固过程中残存应力的开释 可能导致多资料界面处产生裂纹，，从而限度了力学机能 [13]。。

对于钛/钢的多资料组合，，本文深刻探求了分歧中央层对界面反映合金成分的断绝成效，，并将传统的 焊接工艺拓展至增材制作领域。。通过度析增材制作过 程中的工艺参数、金属资料固有个性以及合金元素的 掺杂效应，，揭示这些成分对熔池状态和微观结构演化 的影响，，旨在深刻探求影响多资料界面成型质量的 关键成分，，并系统评估其对力学机能的影响。。最后，， 通过度析先进增材制作技术的利用实例，，瞻望激光增 材制作在金属多资料结构加工中的关键技术问题及面向包装产业的将来钻研方向。。

2、钛/钢多资料衔接

钛合金与不锈钢多资料界面拥有急剧的元素过 渡，，两种资料热物理性质（热膨胀系数、热导率、熔点等）的显著差距，，在熔池内凝固过程中导致较高的 残存应力，，并可能在界面处产生裂纹等缺点。。因而，， 钛合金与不锈钢的多资料界面常通过中央层衔接，，以 断绝两侧的反映，，削减IMCs的天生。。通过选择分歧 类型的中央层，，结合分歧衔接步骤，，能够获得描摹和 性质各别的界面，，具体分析见表 1。。

2.1 纯金属中央层衔接

对于钛合金与不锈钢的多资料衔接，，通常使 用 Cu、Mg等合金作为中央层，，不仅可有效降低制作成本，，且可有效削减两侧反映天生的 IMCs。。I. Tomashchuk 等 [14] 使用 Cu 作为中央层，，通过电子 束焊衔接了TC4钛合金和316L不锈钢，，并钻研了 在焊接速度为1.8 m/min 下激光别离偏置在TC4侧和316L侧对多资料界面的影响。。了局批注，，激光偏 置在TC4侧会在界面熔合区左近产生未熔合缺点，， 而偏置在316L侧，，结合中央层的引入，，可有效克制TC4的溶解，，削减TC4与316L反映天生的IMCs，， 从而提高界面结合强度（见图 1）。。

Gao M. 等 [15] 使用 Mg 合金作为中央层，，通过激 光焊衔接了TC4钛合金与 304L 不锈钢。。界面元素分 析注明 Mg 作为中央层有效阻止了不锈钢和钛合金之 间的元素扩散与反映，，削减了IMCs的天生（见图 2）。。 在拉伸试验中，，所有样品均在界面处断裂，，注明 Mg中央层为多资料结构中最幽微部门。。

在焊接过程中，，激光偏置能够优化焊接成效，，适 应分歧资料的物理性质。。而增材制作技术的引入可根 据分歧资料的性质选择相宜的参数，，为 Cu 等中央层 带来了更宽泛的利用远景。。Tey C. F. 等 [16] 通过引入Cu 中央层，，利用 L-PBF 技术成功衔接了TC4钛合金 和316L不锈钢，，并分析了分歧激光参数对中央层两侧界面的微观组织和整体结构力学机能的影响。。在316L侧，，由于熔池内的非均匀对流混合，，界面从下 至上存在 3 种描摹差距较大的区域（见图 3），，过渡 区内齐全由 ε-Cu 和 γ-Fe 相组成，，无反映产品。。在熔 池中，，由于 Fe 的熔点（约 1540 ℃）比 Cu（约 1080 ℃）高，，在熔池中316L首先凝固并为 Cu 提供形核点，， 因而界面区内出现尺寸较小的细晶。。随着 Cu 中央层 增材制作过程的进行，，316L的含量进一步削减，，晶 体的成长逐步由冷却方向主导，，并沿建造方向逐步转 变为柱状晶。。

TC4 侧界面过渡区内同样出现显著的分层结构，， 并存在多种分歧的相成分，，分歧激光扫描速度得到的 样品成分散布也不齐全一样（见图 4）。。在过渡区内 存在微裂纹，，由非晶区域萌生，，在脆性的 β-Ti+Ti2Cu基底内扩大并被其中的 α′-Ti 阻隔，，由于下方区域较 高的 Cu 含量，，裂纹优先向下扩大，，穿过非晶和 L21相的薄层，，最终扩大至底部 Cu 中央层内。。由于 α′-Ti韧性较高且其在脆性 β-Ti+Ti2Cu 中的散布可能有效 阻止裂纹的扩大，，因而在分歧扫描速度的样品中，，界 面含有最高体积分数 α′-Ti 相的 V650 样品在拉伸过 程中韧性最高，，抗拉强度超过 500 MPa。。

由于Cu、Mg等单质金属及其合金自身强度较低，，其作为中央层衔接钛合金和不锈钢后，，在拉伸过程中 仍会在界面处断裂，，难以满足很多使用要求。。高强的 金属资料通常是难熔金属（W、V、Mo 等），，不少 钻研尝试了将高强的难熔金属 V 作为衔接钛合金与 不锈钢的中央层，，以有效克制 IMCs 的天生，，但高熔 点的 V 中央层在激光焊的加热下难以与两侧达成良 好的冶金结合 [17-18]。。增材制作中的高能量密度为提 高难熔金属中央层成型质量、得到结合优良的多材 料界面带来了更多选择。。N. K. Adomako 等 [19] 通过L-PBF 在TC4基板上制作了 V 中央层，，而后用 L-DED制作了 17-4PH 不锈钢，，并分析了 L-PBF 过程中扫描 速度对中央层的影响。。选取较高激光能量时，，V 中央 层隔离了 17-4PH 中元素的扩散，，可形成无 IMCs 的 界面（见图 5）。。但大部门难熔金属作为中央层并不 能齐全阻止钛合金中元素扩散。。当激光能量不实时，， 部门钛合金中的元素会扩散至中央层内，，并与不锈钢 反映天生 IMCs[18-19]。。且难熔金属经历高能量的激光 热输入成型后，，其内部往往残存应力水平较高，，必要 通过后续的热处置调控强度与韧性以满足使用需要。。

2.2 中高熵合金中央层衔接

传统合金和难熔金属的各类不及促使中央层的 钻研向多成分、多组元合金的方向发展。。近年来，，中 高熵合金（MEA/HEAs）突破了由一种或两种重要金 属元素组成的传统合金设计理念。。它们是由拥有高混 合熵的多种金属元素形成的一种合金，，由于多种金属 元素的晶格畸变和位错滑移，，在熵合金中偏差于形成 单相结构的固溶体而不是 IMCs[23-25]。。复杂的化学成 分和晶格畸变导致各类原子在高熵合金内部的扩散 变得异常难题，，被称为迟滞扩散效应，，这一效应有利 于预防在异种金属衔接过程中界面处天生 IMCs 反映 层 [26]。。

中高熵合金的多种性质为断绝钛/钢界面上元 素相互反映提供了更好的前提，，因而其作为中央层 的利用也被逐步开发。。在 HEA 制作过程中，，Ti 和Cu 被以为别离与 Zr 和 Ni 类似，，由于二者的混合焓 相近 [27-28]，，故用 Zr 取代 Ti、Ni 取代 Cu 来构建新的HEA 中 间 层。。Xia Y. Q. 等 [20-21] 用 TiZrCuNi 中央层 钎焊衔接了TC4钛合金和316L不锈钢，，并钻研了其中Ni和Zr元素含量对界面微观组织和力学机能的影响。。

Ni 元素减弱了 HEA 中央层在TC4侧的润湿性，， 并使钎焊接头的界面过渡区变厚。。过渡区内存在 3个反映层，，反映层内形成了 FeTi、Fe₂Ti、FeCr 和 α-Fe相，，大量 IMCs 的散布导致界面成为整体结构中最 幽微部位（见图 6）。。FeTi 与 Fe₂Ti 相之间的界面 存在非共格景象，，晶格不匹配度达到 61.4%，，导致 在 ( β-Ti + FeTi)/Fe2Ti 界面处出现裂纹。。裂纹重要沿 着 Fe₂Ti 和 FeCr 层传布，，拥有脆性特点。。钎焊接头 的强度随 Ni 含量上升出现先增后降的趋向，，Ni 含量 为 11% 时，，最大剪切强度为 318 MPa[20]。。Zr 元素同样减弱了中央层在TC4侧的润湿性，， 并使界面过渡区变厚。。但由于 Ti 向316L侧的扩散被阻止，，α-Fe 反映层的厚度变。。 7）。。亚微米β-Ti 相在 FeTi/Fe₂Ti 界面左近沉淀，，并且和 FeTi 和Fe₂Ti 相之间存在复杂的取向关系。。钎焊接头的剪切 强度随着 Zr 含量的增长，，先增长后减小，，在 Zr 含量 为 22.2% 时达到峰值 238 MPa。。FeTi/Fe₂Ti 界面处的 应力集中和取向关系导致了钎焊接头在 FeTi/Fe₂Ti 界 面处产生了脆性断裂 [21]。。

传统焊接方式加工的高熵合金难以达成各成分的齐全融合，，因而无法齐全达成迟滞扩散效应以阻止 两侧反映 IMCs 的天生。。增材制作技术的引入拓展了更多种类的高熵合金作为中央层的利用。。Jiang T.等[22]选取 L-DED 的步骤，，通过 FeCrCuV 中央层成功衔接 了TC4钛合金和316L不锈钢，，得到了结合优良的多 资料界面（见图 8）。。316L侧界面优良，，无显著裂 纹，，分界较为显著，，EDS 元素分析也批注没有显著的元素扩散景象。。TC4侧界面有显著的元素扩散景象，，MEA中央层中的Cu在向TC4侧扩散过程中出现显著的富集区。。相反地，，由于迟滞扩散效应，，TC4 侧中 的元素向MEA中央层扩散较少。。通过MEA中央层衔接的多资料界面抗拉强度达到（253±15）MPa，， 相比其他中央层或其他制作方式有显著提升[22]。。

目前，，对高熵合金成分系统的系统性钻研有限，， 需针对分歧异种金属系统筛选出最优化的高熵合金 中央层资料成分。。且由于高熵合金中各元素的溶解温 度差距较大，，在增材制作过程中可能导致非均匀的 组织或不梦想的界面结合，，必要通过进一步的优化探 索相宜的加工参数、粉末选择和热处置工艺。。因而，， 通过增材制作高熵合金作为钛合金与不锈钢衔接的 中央层资料仍不足宽泛的利用 [29]。。

将来，，随着增材制作技术的不休进取，，钻研将集 中在优化合金成分设计与工艺参数，，改善多资料界面 机能。。此外，，借助多尺度建模与仿照，，能够预测高熵合金在增材制作过程中的行为，，为工艺优化提供指 导，，进一步拓展增材制作高熵合金在钛合金与不锈钢 中央层领域的利用。。

3、结论与瞻望

随着现代制作技术的发展，，异种金属间的多材 料衔接问题逐步成为了学术界和工业界关注的焦点。。 传统的熔焊、钎焊、搅拌摩擦焊、激光偏置焊等步骤 在肯定水平上解决了金属资料间的衔接问题，，但由于 分歧金属之间的热物理性质、化学反映个性和溶解行 为差距，，衔接过程中常；岵焕慕缑娣从郴蛞 金问题，，影响衔接质量与机能。。出格是在钛合金与 铝合金 [30-32]、不锈钢等金属资料衔接时，，这些差距 越发显著，，因而必须精确节制衔接过程中的热输入、熔池动力学以及冷却速度，，以确保焊接区域的冶金结 合质量达到要求。。

对于钛/钢多资料的结合，，界面反映与冶金结合 质量是影响衔接成效的主题成分。。钛合金与钢不互 溶的化学成分和物理性质较大的差距通常导致界面 区域的多种缺点，，不仅降低了接头的力学机能，，还可能造成衔接区域的应力集中，，甚至导致界面失效。。 通过精确调控焊接参数、合理选择焊接资料能够缓解 上述问题。。

增材制作技术的引入为钛/钢多资料衔接提供更 多的创新蹊径。。传统焊接步骤通常依赖于固定的焊接资料，，而增材制作可能凭据需要矫捷调整资料成分和 结构，，并设计利用多种中央层以削减界面处钛合金与钢中元素的相互反映，，能够滑润分歧金属间的成分变 化，，从而优化界面微观结构。。通过增材制作技术引入的中央层可能有效削减脆性相的天生，，改善界面的抗 拉强度、抗委顿机能和断裂韧性，，显著提升衔接成效，，预防了传统焊接中由于资料不兼容导致的界面失效。。 这不仅提高了衔接部件的强度和耐侵蚀机能，，还改善了结构的整体机能，，使得这些衔接部件在航空航天、 汽车、海洋工程等领域中得到了宽泛的利用。。

随着包装领域工业利用需要的不休提高，，金属多 资料衔接技术亟需进一步提升其适应性和靠得住性，，以 满足包装机械、金属容器、包装教具等产品日益增长 的技术尺度和质量要求。。出格是在食品包装、医药包 装及高端工业包装等高要求领域，，金属多资料衔接技 术的利用将有助于提升包装产品的机能，，如加强抗压 强度、提升密封机能以及耽搁使用寿命等。。通过技术 的不休创新与进取，，金属多资料衔接将在更多包装细 分领域展示出其怪异的利用价值，，推动包装制作产业 的发展与升级。。将来，，随着资料科学、制作工艺以及 智能制作技术的持续发展，，金属多资料结构将在包装 设备领域的利用潜力将得到进一步开释，，带来全新的 设计理念和技术规划，，进而推动包装行业向更高效、 更环！、更智能的方向发展。。

综上所述，，钛合金与钢的多资料衔接钻研已获得 了显著的进展，，尤其是在增材制作技术的利用方面，， 展示了辽阔的远景和巨大潜力。。只管如此，，现阶段 的钻研依然存在一些挑战，，出格是在界面反映节制、 资料设计、工艺优化等方面仍需进一步深刻索求。。在 将来的钻研中，，必要结合先进的推算仿照技术、尝试 步骤和多尺度表征伎俩，，深刻钻研分歧金属间的衔接机理及界面反映法规。。同时，，随着工业利用需要的不 断提高，，金属多资料衔接技术必须进一步提升其适应 性和靠得住性，，以满足包装机械、包装金属容器及包装 教具等领域日益增长的技术尺度和质量要求。。通过技 术的不休创新和进取，，金属多资料衔接将在更多的领 域展示出其怪异的利用价值，，推动有关产业的发展与 升级。。

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