1、引言
在全球制造业持续高速演进的背景下，市场对具备高性能、轻量化与多功能特性的金属构件提出了愈发迫切的要求[1-3]。多金属材料构件因其能够将不同组元材料的属性进行有效集成，使其在航空航天、船舶制造及核能等前沿科技领域的应用前景极为广阔[4,5]。以航空发动机为例，其关键部件通常需实现耐高温合金与高韧性结构材料的可靠结合，这对于金属构件的加工提出了更高的要求[6]。当前此类构件的生产制造仍主要沿用熔焊、钎焊、扩散焊及机械连接等传统连接工艺[7-9]。然而，上述工艺往往流程繁琐、成本高昂且连接位置可靠性难以保证，已逐渐难以契合现代制造业对结构一体化与性能定制化的需求。因此，探索并开发高效、可靠的多金属材料一体化成形新方法，已成为制约高端装备制造业突破发展的核心瓶颈。
增材制造技术(additive manufacturing,AM)，作为一项基于“离散-堆积”原理而兴起的颠覆性制造范式，在复杂结构一体化成形、缩短研发周期及小批量柔性化生产等方面展现出巨大的优势[10-15]。其中，异质(两种及以上)熔丝增材制造作为AM的一项前沿分支，为多材料构件的加工制造带来了新的契机[16-19]。该技术的核心在于能够在沉积过程中将两种或多种不同的材料丝材以精确协同的方式送入熔池，并通过调控各丝材的送进速度比，实现对沉积层化学成分的精准控制[20-22]。这一技术为多材料构件的制造开辟了全新的路径，其应用价值主要体现在如下两个层面:
一方面，该技术可以方便快捷地实现多材料构件的“一体化”直接连接成形。通过在预设的沉积位置或不同沉积层中，策略性地切换送入不同的丝材，可以实现特定区域的材料更换，从而实现多材料构件的沉积制造。与粉末床式多材料AM技术相比，异质熔丝AM避免了材料切换过程中复杂的粉末回收、筛分及腔室清洁等繁琐工序，从而有效杜绝了不同材料间的交叉污染风险。该技术通过按需送丝的方式，不仅继承了熔丝工艺固有的高理论沉积速率优势，更实现了近乎完全的材料利用率，虽然在匹配丝材速度及比例过程中，沉积速率可能有所下降，但是有效功能梯度沉积速率与粉末式相比仍可保证较高值，该技术在工艺简便性与经济性上的双重优势，使其在制造大型、高性能异质材料构件方面展现出巨大的应用潜力[23,24]。另外，与异质送粉式AM方式相比，除了上述提到的有效功能梯度沉积效率及材料利用率的优势外，异质熔丝式AM技术还可以实现成分的精准控制，这是因为异质丝材送入速度可以准确设定并从理论上实现丝材的完全送入，而异质送粉式AM由于粉末难以全部送入熔池，所以在熔池冶金的成分准确性方面略显不足。但是，异质熔丝增材在熔池尺寸方面要远大于粉末式AM方式，故在成分分辨率方面存在较大挑战，主要适用于较大尺寸的多材料构件。另外，异质丝材间物性参数差异、不稳定的传质模式及过程时变性还使得该技术面临着过程稳定性差、样件成形质量差的技术瓶颈。科学方面，异质熔丝AM技术在多物理场共同作用下，熔池的宏观流体动力学如何与熔滴的动量、熔化及界面行为耦合尚待解决，因为这不但决定溶质元素的混合效率、成分匀质化与精准化，也是实现高质量的关键。另一方面，不同于传统的机械连接或焊接工艺，异质熔丝AM技术特有的“熔池”冶金结合特性，为缓解异种材料连接中常见的界面应力集中、结合强度不足等问题提供了新的解决方案[25, 26]。这是因为异质熔丝AM技术使得多材料之间的连接实现了从突变到梯度的转变，通过原位、动态的改变连接位置处的化学成分，可构建一个成分和性能连续变化的梯度过渡区，从而实现金属间化合物的有效抑制及缓解因异种材料界面因热物理性能突变引起的应力集中问题。这为材料界面的微观结构设计与宏观性能优化提供了良好的自由度，这对于提升构件的整体可靠性与服役寿命具有重要的意义。
另一方面，异质熔丝AM技术开创了新材料“原位合成”与成分“连续渐变”的制造新模式[25,27-30]。除了可以策略性切换送丝种类外，该技术还能够将多种元素或合金丝材同步送入熔池，利用熔池内的高温环境及强烈对流引发原位冶金反应，直接“打印”出具有特定性能的新型合金。更进一步地，通过连续、动态地调整送丝比例，可以在一个构件内部实现化学成分与力学性能的连续梯度过渡，实现功能梯度材料的一体化制造，给多金属构件的加工制备提供了新的范式及新的方向。这为应对航空航天、能源装备、生物医疗及汽车工业等领域中极端工况提供了极具潜力的解决方案。在航空航天领域，该技术可用于临近空间飞行器组合发动机燃烧室耐热材料与冷却轻质材料的一体化构件，实现轻量化与耐高温的功能集成。在能源装备领域，该技术可有效就解决复杂工况(如高温、高压、强腐蚀)下的多材料复合部件的制造需求。在生物医疗领域，该技术可灵活实现轻质、抗腐蚀及高生物相容性材料集成的功能梯度样件，有效匹配植入物的复杂需求。因此异质熔丝AM技术催生了新一代高性能、多功能构件的设计与制造契机。然而，该技术转化为可靠的工程应用仍面临严峻挑战。异质丝材间物性参数差异、复杂的工艺参数及沉积过程时变性，极易导致过程稳定性差、沉积样件成分组织不均匀及成形质量差等问题，是推动该技术走向工业化必须攻克的关键难题。
目前常见多金属结构件的组合方式总结如图1所示。传统方式下多为直接连接式，即将材料A及材料B直接相连(见图1(a))，该种方式则对于异质熔丝AM技术更加容易实现，即通过直接切换送入丝材种类即可完成直接连接式构件的制备。而通过逐层切换丝材类型则可以完成制备如图1(b)所示的逐层切换性多材料样件。其次，异质熔丝AM技术还可利用上述提到的多丝材原位合成技术通过控制各丝材的送入比例实现材料A与材料B的过渡连接甚至于大范围梯度渐变，如图1(c，d)所示。除直接连接式外，传统加工方法对于逐层切换式、过渡连接式及梯度渐变式的制备存在极大挑战，甚至于难以加工。而异质熔丝AM的技术则可轻易实现对于上述组合方式的加工。
近些年，国内外研究学者针对异质熔丝AM技术在多材料沉积方面开展了大量的研究，为高性能多金属构件的制造奠定了坚实的理论基础与技术储备。本文旨在对该领域的研究进展进行系统性梳理。首先，深入剖析了异质熔丝AM技术的核心原理与关键装备;其次，系统性地总结了该技术在多金属材料构件制备方面的最新研究现状与代表性成果;在此基础上，重点阐明并深入分析当前面临的关键科学与技术挑战;最后，对该技术的未来发展趋势与潜在研究方向进行前瞻性探讨，以期为相关领域的后续研究提供有价值的参考。
2、异质熔丝增材制造技术原理与装备
异质熔丝AM技术是在传统单熔丝技术上发展出的一种新型AM技术，其特色是可以在共热源下分时段或者同时送入两种以上的丝材，该技术在继承了熔丝AM技术高理论沉积效率及高材料利用率的基础上，还可实现多材料构件以及材料的原位制备，有望实现材料制备及结构制造的一体化。异质熔丝AM系统主要由多丝送入模块、热源模块、运动台及控制系统组成。目前，根据热源类型的不同，主要可分为激光、电子束及电弧异质熔丝AM技术三种，具体如图2所示。
激光热源具有束斑方便调控、工艺适应性强及能量密度高的优势，在异质熔丝AM领域具有重要应用前景，然而由于前期设备较电弧相对昂贵且设备复杂，目前在熔丝领域仍处于起步阶段[31-34]。但随着近些年国产激光器的普及以及市场价格的不断下降，激光逐渐有望成为替代电弧的低成本热源。尤其是新发展的激光同轴送入技术得到了诸多关注，该技术下丝材以垂直方式送入熔池，多束激光器则形成环形光斑的形式熔化丝材，其中激光异质熔丝同轴送入的方式及设备如图2(a)所示[35,36]。电子束异质熔丝AM技术具有高真空环境、高沉积效率及高能量利用率的优势，被认为十分有利于异质熔丝增材制造过程中的原位冶金。但是电子束设备相对复杂(如真空泵组、电子枪及高压电源等)且价格昂贵，尤其是真空室受限的成形尺寸成为限制其广泛应用的主要挑战，然而近些年在异质熔丝沉积领域也有着广泛的报道[37-41]。电子束异质熔丝AM技术具体原理及设备如图2(b)所示。电弧异质熔丝AM技术是基于传统弧焊所发展而来的一种技术，具有设备简单及价格便宜的优势，且不受成形空间的限制，适合超大尺寸零件制造[42-45]。因此，在异质熔丝AM领域，电弧仍被作为主流热源在使用，其具体设备原理及实物如图2(c)所示。
另外，三种热源在熔化金属原理及熔池作用机制上也存在本质性差异。其中，激光热源利用高能激光束与金属材料作用，实现材料的加热及熔化，所形成的熔池冶金反应剧烈，且金属反冲压力作用效果明显，并伴随着快速冷却的特征。电子束热源则主要在真空环境下利用高能电子束轰击金属表面达到使材料熔化的目的，该工艺下的熔池同样具备高温与反冲压力作用明显的特点，不同于激光的是，电子束的真空氛围能够有效抑制熔池内异质金属元素的氧化反应，保障材料成分稳定性。相较而言，电弧热源以电弧放电为热输入方式加热基板与异质丝材，其能量密度显著偏低，热输入量相对较大，由此形成的熔池尺寸更大、深宽比更小，冷却速率也相对迟缓。而上述热源特性的差异化表现，也会对熔池的流动行为与凝固进程起到主导作用。表1对比总结了激光、电子束及电弧三种不同热源在能量密度、沉积效率、设备价格、熔池尺寸、成分分辨率及材料适应性等方面的优劣。
表1不同热源下异质熔丝增材制造的特点[36,46-47]
Table 1 Characteristics of heterogeneous wire-based additive manufacturing under different heat source[36, 46-47]
| Comparison Dimension | Laser | Electron beam | Arc |
| Energy Density | High(106-107 W/cm2) | Very High(108-109 W/cm2) | Low(104-105 W/cm2) |
| Deposition Efficiency | High | High | High |
| Equipment Cost | High | Very High | Low |
| Environmental Requirements | Insert gas shielding | High Vacuum | Insert gas shielding |
| Compositional Resolution | High | Very High | Low |
| Core Material Adaptability | Sensitive to reflectivity alloy(e.g., Cu, Al). | Excellent for reactive metals. Poor for high-vapor-pressure materials (e.g.,Mg,Zn) | Primarily for electrically conductive metals(steel, Ti, Al, Cu alloys). |
| Maximum Depositable Size | Theoretically unlimited | Meter-Scale | Theoretically unlimited |
将异质熔丝AM技术拓展至水下、太空等极端环境，是实现装备在役制造与原位修复的战略前沿，但其可行性的核心挑战，与单丝AM类似，主要取决于热源形式与设备系统的复杂程度。在太空制造领域，由于高真空和微重力环境，能够在真空中稳定工作的电子束和激光成为首选方式。在增材领域，当前研究已聚焦于利用这些技术进行在轨制造与修复，多材料部件在真空环境下的应用潜力巨大，例如可原位制造兼具结构支撑与热防护功能的舱体部件。在水下制造领域，高压水环境是主要挑战。电弧因设备简单和成本效益，在局部干法或排水罩等辅助措施下，电弧热源成为水下修复及样件制造的主流技术，而激光则因其精确可控性，在精密修复中展现出独特优势，对于多材料应用，其前景同样广阔，例如，可为海洋平台制造耐磨耐腐蚀的多材料复合功能涂层。
当前，异质熔丝AM设备多是在传统单熔丝设备改装而成，尚处于实验室探索阶段，而该技术对于熔丝设备却提出了特殊的要求，其主要挑战在于构建一个能够实现多材料在时序与空间上精确调控的执行系统，实现对多丝材协同工作、动态切换、送丝过程的精度与沉积过程稳定性的协调控制。在多丝材协同工作层面，装备须具备对多路独立送丝单元进行高动态控制的能力，除匹配送丝速度配比外，更是要实现基于预设材料成分模型的实时协同通讯，以确保在异质材料界面处形成可控的成分梯度。其次，设备还应保证高精度的丝材送入能力，以及过程自适应控制能力。这是因为为保证熔池冶金后的高成分精度，丝材送入量应严格控制，基于沉积过程时变性，还应配备在线监测及闭环控制能力，以实现成形过程稳定性。最后，当前设备主要是基于单热源多丝材形式，未来如能根据材料特性配备不同热源，并实现多打印头连续按需连续切换，将对于提高异质熔丝AM多材料样件的制造能力及装备智能化水平具有重要意义。
3、异质熔丝增材制造多金属构件与界面调控
3.1直连式多金属构件制备
异质熔丝增材制造技术突破了传统单丝沉积下只能制备匀质单材料构件的限制，通过按需切换使用不同丝材作为原材料可实现不同金属材料的沉积，结合增材制造技术的“离散-堆积”原理，可以实现对任意位置不同金属的沉积。理论上，通过精细控制丝材送入种类，可以实现“熔池级”的成分编程与控制，即可将成分细化至每一个熔池内。这对于精细控制样件材料，实现金属构件在不同部位下适用不同工况具有重大意义。目前，国内外研究学者已针对该技术开展了大量研究，具体介绍如下。
印度安那大学的Senthil等人利用电弧热源实现了Inconel825与SS316L多材料金属构件的增材制造，并详细研究了两金属连接处的微观组织演化、拉伸性能及显微硬度，如图3(a)所示。结果表明在界面位置处存在明显的显微硬度的变化，且Ni和Fe元素在界面位置处成梯度变化，展现了良好的连接性能[49]。近些年，本团队也在电弧/电子束多金属材料增材制造方面也开展了大量研究，具体如图3(b)所示。例如，针对航空航天领域对于大型钛合金结构件对于功能梯度的需求，本团队前期发展了电弧多送丝增材制造装备，并开展了TC11/TA15和TC4/TC11梯度样件制备，阐明了其在航空航天领域的应用前景[50-52]。在TC11/TA15梯度材料制备中发现，从TA15到TC11，晶粒尺寸减小，并发生从柱状晶到等轴晶的转变。合金元素含量在短距离内发生显著变化，突变区宽度为800μm。TA15和TC11区域均呈现由α相和β相组成的网篮状组织。然而，在从TA15到TC11的过渡过程中，α板条细化，导致显微硬度增加。在TC4/TC11梯度样件制备中，详细研究了后热处理对于沉积样件的调控作用，结果表明在直接过渡的样品中，更高的热处理温度和更长的保温时间使成分和微观组织更加均匀。并且热处理后，梯度样件界面形貌变得愈发不明显，且界面的横向延伸率因两种材料的应变补偿而得到提高。另外，在多钛合金结构增材制造方面，吉林大学张志辉教授团队也利用电弧异质熔丝增材制造技术开展了TC4/TC11构件研究[53]。除此以外，在钛合金与其他高温合金多材料构件领域本团队也进行了诸多探索性研究，例如TA15/Hf、TA15/Nb及TA15/Ti2AlNb等，研究结果表明在界面位置由于高温合金较高的熔点较易导致钛合金塌陷行为，通过辅以热丝技术，可有效减小热源热输入并保证高温合金丝材顺利熔化，最终相关样件可被成功制备，如图3(b)所示。加拿大安大略省理工大学Tenuta等人利用电弧异质熔丝增材制造技术制备了不锈钢(AISI410)和低碳钢(ER70S-6)的多材料样件，并且设计了不同的打印连接策略，对样件界面处的微观组织及力学性能进行了对比分析[54]。葡萄牙里斯本新大学Oliveira等人基于该技术制备了从高强度钢到铜铝合金的多金属样件，结果表明所制备的样件无明显缺陷且界面区域具有优异的高强度和延展性，抗拉强度在高达690 MPa的同时延伸率还能保持16.6%，有效证明了异质熔丝增材制造技术在制备多金属构件方面的潜力，具体如图3(c)所示[55]。
另外，值得一提的是美国华盛顿州立大学Bandyopadhyay等人还基于仿生原理，利用电弧异质熔丝AM技术制备了径向双金属仿生结构，具体如图4所示，该结构芯部为308L不锈钢，外部为ER70S-6低碳钢[57]。研究结果表明这种双金属结构的机械互锁效应会形成一种预压应力效应，且该结构力学响应优于单质材料，具体的该双金属结构的抗压强度较单质金属增长了 33%至 42%。该研究探索性的进行了多金属结构设计并验证了加工的可行性，在一定程度上挖掘了异质熔丝AM技术在复杂多金属结构加工的可行性。
为充分发掘电弧异质熔丝AM技术丝材方便调控的潜力，印度理工学院Srivastava等人还制备了逐层切换式SS316LSi和ER70S-6多金属构件，如图5(a)所示[58]。该研究详细分析了不同位置处的微观组织演化及力学性能演化规律，研究结果表明不同位置处的显微组织存在明显的各向异性，且异质交界面由于钼和铬元素的扩散使得显微硬度明显增加，拉伸结果表明断裂位置主要位于ER70S-6一侧。本研究为多金属构件的多样化用途及高强度钢的沉积成形提供了一种新型策略。类似的，上海交通大学赵国平等人还利用该技术制备了Al-Cu/Al-Si逐层切换式多金属构件，具体如图5(b)所示[59]。
除上述研究外，异质熔丝增材制造技术还在Mo-Ta-W[60]、Inconel625-SS312[61]、Inconel 625-316L[62]、Inconel 625-HSLA[63]、SS316L-Cu[64]及Inconel 625-308L[65]等多金属构件有所报道。但是目前相关研究所成形多金属样件结构相对简单，除上述介绍径向双金属构件外，其余研究多是基于薄壁构件的基础成形工艺、界面组织演化及力学性能研究，关于异质熔丝增材制造技术在高成分设计自由度及调控下的优势还亟需进一步挖掘。
3.2异质金属界面调控
异质金属增材制造目前的主要难点是异质金属间的界面调控，直接连接式多金属构件在接触面位置存在着剧烈的成分、性能与微观组织的变化，而界面的力学特性又是决定多金属构件整体服役性能的关键[66-68]。因此，对异质金属界面进行调控是解决多金属构件服役性能的主要研究重点。目前异质金属界面调控的核心难点主要体现在如下两个方面:一方面，异质金属间物理化学性质的根本差异(如熔点、热导率及膨胀系数等)极易导致异质界面位置处在增材沉积往复循环温度场下存在较大热应力，从而导致构件变形、开裂甚至成形失效[69,70];另一方面，部分异质金属在增材沉积的冶金过程中极易在熔池凝固过程析出金属间化合物，尤其连续分布时极易成为裂纹源，影响异质界面的结合强度[71,72]。目前，国内外研究学者也针对异质界面的连接难题，开展了大量的研究。
例如，前面介绍的加拿大安大略省理工大学Tenuta等人在进行电弧异质熔丝沉积不锈钢(AISI41)和低碳钢(ER70S-6)多材料制备时，还详细研究了不同打印策略下异质金属界面的微观组织演化及力学行为，具体沉积路径、沉积样件及界面金相如图6所示[54]。研究结果表明三种不同路径下的力学性能差异性并不显著，但在异质界面的微观组织方面却存在较大差异。例如，路径一沉积下在稍远离界面位置处主要是细晶针状铁素体/贝氏体，而在路径二、三中在相关区域主要是由针状铁素体和贝氏体/马氏体组成。而经成分分析发现路径一下铬浓度分布随距界面距离的增加而逐渐下降，而路径二、三沉积下则呈阶梯式下降趋势。这也显著证明了沉积路径对于异质界面的调控效应。
本团队前期在进行电弧异质熔丝钛合金多材料构件增材制造时，也开展了异质界面调控研究。如图7(a)所示[50]。两种钛合金之间的过渡层由一层逐渐过渡至三层，且两种材料的成分比也按比例变化，例如一层过渡层下的TC4与TC11的占比各50%，而三层过渡下两材料占比下则梯度增加或减少。结果表明随着过渡层数的增加过渡区域尺寸也逐渐增加，界面位置处的微观组织更加均匀且界面形貌差异性也变小，另外，与微观组织相对应的，界面的抗拉强度也由约770MPa增加至830MPa。天津理工大学田银宝等人为解决TC4与316L多金属构件增材制造连接难题，基于该技术进一步采用了更多过渡层的方案，具体由第一层下的5at%含量的Fe逐渐过渡至十三层下的65at%含量的Fe，如图7(b)所示[73]，充分发掘了异质熔丝AM技术在成分调控方面的优势。与之类似的，天津大学王志江等人利用电弧异质熔丝增材制造技术制备了具有薄壁结构的IN625/Ti6Al4V的功能梯度材料，具体如图7(c)所示，通过设计不同沉积层下异质丝材的送入配比实现多成分组成样件的制造，并详细研究了不同成分组成下的微观组织及物相组成，并揭示了其对显微硬度及力学性能的影响规律[65]。
在逐层梯度过渡的基础上，韩国国立昌原大学又进一步提出采用超声振动辅助电弧异质熔丝的方式用于制备逐层过渡式Inconel718和308L双金属构件，具体如图8所示[74]。经与无超声工艺下对比表明，经过超声振动的多金属样件晶粒尺寸及均匀性均得到改善，界面位置化学成分过渡更加平滑。并且，力学性能表征结果表明超声振动后抗拉强度略有增高，但延伸率则存在降低趋势，主要原因便是超声振动使得柱状晶细化后各项异性减弱。同时晶粒细化后还使得界面位置处的硬度呈现上升趋势，结果表明经超声处理后各层的硬度百分比增幅分别为7%、9%、10%、12%和15%。
当前，多金属构件界面调控形式相对简单，多为上述介绍的逐层过渡式制备方式。但异质熔丝增材具备充分的成分及结构设计自由度，如何通过结构设计及成分设计增加界面强度及延展率是界面调控方面着重解决的挑战。
3.3梯度渐变式多材料构件制备
异质熔丝增材制造技术由于其不再局限于使用预合金丝材，而是可将多种元素或合金丝材作为“原料”，因此除了可以直接进行上述的多金属材料的增材制造外，还可在熔池中同步送入异种丝材并引发原位冶金反应生成新型合金，例如3.2节所介绍的逐层调控方式。如果将逐层调控方式进一步拓展，将直接制备梯度渐变式多材料，这使得材料的原位合成与构件的近净成形能够同步完成，真正实现“材-构一体化”的制造理念，如图9所示。该技术可以实现对熔池成分的精确调控，而调控的关键变量正是各丝材的送进速度比。在功能梯度材料制造方面，该技术能够通过连续改变送丝比例，制造出连续成分渐变、性能过渡平滑的梯度结构，实现功能梯度零件的直接一体化增材制造。
早在2015年，印度理工学院Somashekara M.等人便利用电弧异质熔丝增材制造技术进行了硬度梯度渐变零件的制备，具体通过控制沉积过程中ER70S-6及ER110S-G两种丝材的送丝速度比，制备出成分梯度变化的零件，从而实现硬度梯度变化，如图10(a)所示，结果表明所制备零件的实际硬度与两丝材送入比呈明显规律性，且沉积样件的显微硬度具备良好的预测性[24]。与之类似的，卧龙岗大学Pan等人也通过电弧异质熔丝增材制造技术实现了成分渐变的TiAl梯度合金，实现了由纯Ti往Ti-50Al(at%)的连续梯度渐变[27]。另外，该团队还进一步开展了Fe-FeAl连续梯度渐变多金属样件的制备，如图10(b)所示。研究结果表明所制备样件的实际成分与设计成分差值较小，且成形样件致密度极好，充分证明了异质熔丝AM技术在多金属构件制造方面的潜力[75]。
通过上述分析可知，异质熔丝AM技术的核心优势在于实现了“成分-结构-性能”的一体化。传统连续成分渐变样件的制造工艺流程长、梯度控制精度有限，且难以实现复杂构件的直接成形。相比之下，异质熔丝技术通过实时、精确地调控多种丝材的送进速率，能够在三维空间内对熔池的化学成分进行动态编程，从而实现成分从宏观到微观尺度的连续、平滑过渡。因此，该技术为航空航天、生物医疗等领域对构件不同部位提出差异化性能要求的极端应用场景，开辟了一条高效、低成本且高度灵活的全新制造路径。
4、异质熔丝材料原位合成与过程调控
4.1异质熔丝过程冶金及影响因素
异质熔丝AM技术在多材料构件的制备中的突出优势在于原位冶金材料合成，无论是两金属之间的梯度过渡界面或梯度过渡多金属样件，这都是传统加工难以实现的，但原位冶金生成新材料也成了其关键挑战。大量研究表明在异质熔丝沉积样件中极易产生相关冶金缺陷问题，如在与本研究领域研究类似的异质熔丝TiAl报道中及本团队在前期制备Ti2AlNb时均发现有大范围的成分偏析现象，严重影响沉积样件质量与性能[19,76]。目前，该技术所面临的挑战主要可以总结为如下两点:一方面，异质熔丝沉积过程中熔池高瞬态特性极易使得异质元素扩散不足，从而造成沉积样件内存在大量成分偏析现象[39,77];另一方面，与传统单丝增材制造相比，异质丝材间显著的物性参数差异或送丝速度不一致引发的复杂熔滴过渡模式使得该技术面临沉积过程稳定性差、可重复差及成形质量差的挑战，极易导致液滴飞溅、粘丝等问题，从而影响成分准确性及成形过程稳定性[78]。
与之对应的，异质熔丝AM沉积过程主要包含“熔滴冶金区”及“熔池冶金区”两大冶金过程，如图11所示。其中，“熔滴冶金区”主要是指异质丝材熔化后在液滴存在的短暂的冶金过程，其能够在某种程度上延长冶金时间窗口，且保证异质元素的准确添加。“熔池冶金区”的主要是指异质元素进入熔池后所发生的冶金反应，因为在材料原位合成过程中类似于熔池“微铸造”过程，“熔池冶金区”的持续时间和内部对流模式也是决定原位冶金质量的关键因素之一。因此，国内外诸多学者针对异质熔滴过渡模式及熔池也进行了大量的研究及过程调控。
4.2异质熔丝增材制造过程稳定性
与预合金式单丝AM技术相比，异质熔丝AM在迈向工业化的过程中面临着更为严峻的挑战。在这些挑战中，过程稳定性构成了制约其技术发展的核心瓶颈之一。这是因为成形过程的稳定性不仅直接决定了样件的成形精度、组织均匀性与成分精准性及匀质度，还深刻影响着样件的力学性能，并最终决定了整个技术体系的可靠性与可重复性。
从技术角度分析，异质熔丝AM沉积过程中的稳定性问题可划分为固有原因和特有原因两个层面。固有原因与其他常见的AM方式类似，主要包括工艺过程复杂、工艺参数繁多、工艺窗口窄以及固有的时变性特征。鉴于这些原因已在相关文献中被广泛讨论，本部分将不再展开。本部分重点关注的是由异质熔丝AM技术自身特点所衍生的特有原因，这些原因主要可被系统性地总结为:多丝材送入过程的复杂性、“熔滴冶金”过程的内在不稳定性以及“熔池冶金”过程的动态时变性。
一方面，多丝材送入过程的复杂性是稳定性的首要挑战。通常情况下，为保证原位合成材料的成分精确性，工艺上通常需要采用不同类型、送进速度乃至直径的丝材。在相同的热输入下，不同物理属性的丝材其熔化行为及熔滴过渡行为会产生巨大差异。熔丝沉积过程中的传质过程对熔滴过渡模式极为敏感，大液滴式过渡模式极易导致金属飞溅，影响成分精度，而插入式过渡模式则容易引起粘丝，破坏送丝稳定性。因此，异质熔丝AM中复杂、多变的熔滴过渡模式，使得沉积过程中的物质传递过程变得极不稳定。
另一方面，“熔滴冶金”过程的内在不稳定性是关键制约。共熔滴模式下的小液滴过渡被认为是实现异质熔丝AM稳定传质及过程冶金的最优路径，因为它既能保证“熔滴冶金”反应区的存在，又能维持传质过程的连续性与稳定性。然而，在沉积过程中，这种理想的过渡模式通常难以长时间维持。随着零件几何构型的不断变化和热累积效应的持续增强，初始设定的稳定工艺参数会逐渐偏离其最佳工作区间，从而导致熔滴从稳定的过渡状态失稳，进入不稳定的过渡模式。
最后，“熔池冶金”过程的动态时变性进一步影响着沉积过程中的稳定性。异质熔丝AM过程涉及熔池内的冶金反应，但熔池的尺寸并非恒定，其时变性的核心在于热输入与散热之间的动态失衡。后续沉积层对前一层造成的反复热累积，使基体温度持续升高。同时，零件几何构型的实时变化也不断改变着散热条件。当熔池尺寸因热输入过剩而过大时，会导致熔池流淌，破坏成形精度，反之，当熔池因散热过快而过小时，又会造成元素扩散不充分，影响界面结合质量。这种难以预测的熔池尺寸波动，对最终构件的成形质量构成了直接威胁。
4.3异质熔滴过渡模式调控
在异质熔丝增材制造过程中，为保证高熔点或高送丝速度丝材的顺利熔化，热源功率通常设置为较大值，但熔点较低或送入速度较慢的丝材通常在该热输入下易产生过热行为从而较难进入熔池中心，并造成液滴飞溅现象。尤其是对于激光和电子束较高能量密度的热源，低熔点丝材极难送入熔池中，通常在远离热源中心的位置便达到熔点并开始熔化，同时在金属反冲压力的作用下产生振荡，而后滴落至熔池，极大影响成形过程中的成分精度。例如，本团队在利用电子束热源及TiNb和Al丝进行异质熔丝沉积时，发现Al丝较难进入熔池，后经模拟仿真发现虽然Al丝送丝速度较慢，但其仍比TiNb丝先达到熔点，且距离熔池中心位置较远，图12给出了不同时刻两种丝材的温度分布，可以看出Al丝在距离熔池中心较远位置处便到达了熔点，而在真实沉积过程中便会导致大液滴式过渡，影响传质稳定性。因此，如何保证各异质丝材的顺利送入熔池是当前研究的目标之一，且目前行业内普遍认为在熔池上方形成共液滴后再过渡进熔池的“共熔滴过渡”模式更有利于成分的均质化。另外，增材制造过程中的时变性还易导致沉积层高难以维持在恒定值，从而使得最优熔滴过渡难以保持，造成沉积过程中的稳定性变差，尤其是熔滴过渡距离较大时仍会产生大量液滴飞溅，影响成分准确性及样件成形质量[79,80]。因此，调控异质熔滴过渡模式并维持其稳定性是该技术当前的研究热点之一。
目前，国内外研究学者主要通过调控异质丝材的类型、送入角度和送入方式等策略保证异质丝材的顺利送入，从而保证成形质量及成分准确性。例如，温州大学陈希章等人为简化电弧异质熔丝沉积工艺过程采用了“线缆型”丝材进行高熵合金的原位合金化沉积[81]，这在很大程度上减少多种异质丝材协同送入的复杂性，但也在某种程度上增加了原材料制备的成本且牺牲了成分灵活性。哈尔滨工业大学林三宝等人在进行电弧异质熔丝沉积制造TiAl合金时，为保证单热源下物性参数差异较大的Ti、Al丝可以协同送入熔池，采用了两丝材以极大角度差送入的策略，如图13(a)所示。这主要考虑到电弧热源能量密度相对较小，其中高熔点丝材被放置于更靠近热源高温区，而低熔点丝材则被放置于远离热源高温的区域[78]。另外，该单位的王亮等人在采用电子束异质熔丝技术进行高熵合金TiZrNbHf原位制备时，亦发展了双丝共点送入模式，即将异质丝材的送入相交点汇于热源正下方，从而保证了异质丝材的稳定送入过程[82]。电子束熔化金属的原理主要是将高速运动的电子的动能转化为热能，因此被置于高熔点丝材下方的低熔点金属通常难以被电子直接撞击，所以不能被电子束直接作用，而是在高温液滴的作用下进行熔化，从而可以保证低熔点丝材的顺利熔化及送入。本团队前期也对电子束异质熔丝沉积制造Ti2AlNb合金的熔滴过渡过程展开了详细研究，结果表明传统分离式送丝方式下，较大的物性参数差异使得两丝材以各自的熔滴过渡模式进入熔池，且在空间上存在较大位置差异，导致沉积样件存在成形形貌差、成分偏析及力学性能差等问题。随后，基于丝材特性本团队提出了平行式送丝方法，即将TiNb丝和Al丝以平行的姿态送入熔池，结果表明低熔点丝材在高熔点丝材的遮挡下可以与高熔点丝材以共熔滴的模式过渡到熔池[20]。上述已报道方法主要通过调控丝材受热而控制其熔化过程，从而实现调控其过渡行为的目的，但是由于目前各丝材的巨大差异及使用多样性，并未形成关于异质熔滴过渡的统一调控方法，但稳定的送丝过程是促进异质元素均匀扩散并提升异质构件成形精度与性能的关键保障。
在保证异质丝材顺利过渡到熔池的基础上，如何维持液滴过渡的稳定性是另一主要挑战，这是因为沉积制造过程中渐变的层高极易使得熔滴过渡距离产生变化。目前，通过在线检测及实时闭环控制液滴过渡距离是熔丝增材制造领域调控液滴过渡的有效手段，闭环控制通过实时监测熔滴形态与过渡频率，动态调节工艺参数，可强制熔滴稳定过渡，确保熔池冶金过程可控。这是实现异质材料精确成形、保证界面结合强度与构件性能一致性的核心技术保障。但目前大部分研究均是基于传统单丝增材制造[42,83,84]，而对于异质熔丝增材制造由于较多的丝材数量及不同丝材之间不一致的过渡模式使得研究十分有限。据不完全统计，目前仅有本团队基于前期提出的平行式送丝方式初步实现了异质熔滴过渡的实时在线监控。如图14所示，通过机器视觉的方法对沉积过程中的熔滴过渡距离进行实时提取，并发展了复合式图像处理方法，通过实时提取液滴中心位置及熔池中心位置，可获得熔滴过渡距离。同时发展了在线控制系统，并完成了系统集成，具体人机交互界面如图14所示。最后，通过在线调整送丝机构与熔池之间的相对位置关系，从而保证每一沉积层下异质熔滴的稳定性[72]。结果表明，所开发的共熔滴闭环控制系统在多层样件的沉积过程中展现了良好的鲁棒性和实用性，每层中熔滴过渡距离可以良好地控制在目标值，极大的提高了沉积过程中的稳定性。
4.4熔池热质行为调控
如上所述，“熔滴冶金”的调控虽是减缓冶金缺陷的有效手段，但调控过程却较为困难。一方面，共熔滴存在时间极短:熔丝增材以“液桥”或“小液滴”模式为最稳定的传质模式，过渡时间极短，而时间更长的“大液滴”模式却极易产生飞溅，影响成分精准性。另一方面，共熔滴形成条件极为苛刻:丝材物性参数、送丝速度差异及增材过程的时变性使得“熔滴冶金”存在稳定性极差。虽然可以通过有效手段得以缓解，但异质熔丝增材过程更类似于熔池“微铸造”过程，“熔池冶金区”的持续时间和内部对流模式也是决定原位冶金质量的重要环节，因此国内外研究学者也针对熔池内部的热质行为展开了研究。
清华大学常保华等人在利用电子束异质熔丝AM技术原位冶金成形NiTi合金时，发现采用热源高速扫描的方式可以促使熔池内液体流动，从而加速异质元素之间的扩散，提高成分的一致性。研究结果表明所沉积的NiTi样件有着良好的成分一致性，且力学性能优异[85]，如图15(a)所示。这主要是由于电子束较高的能量密度及沉积过程中的高真空环境，使得在熔丝沉积过程中金属反冲压力作用明显，因此当电子束进行高速扫描时会在熔池内部亦存在高速扫描的作用力，从而对熔池起到原位“搅拌”作用，促使熔池内部液体流动，促进异质元素对流与扩散。本团队在前期利用TiNb丝与纯Al丝进行Ti2AlNb原位合成时，为获得较长的熔池冶金持续时间，还采用超低频脉冲电弧热源获得了“扁平化”熔池，实现了一维棒状样件的堆积，促使异质元素充分混合，虽牺牲了成形自由度，但有效证明了熔池调控的有效性[48]，如图15(b)所示。电弧异质熔丝增材过程中可采用低频脉冲式工作方式，其中基值电流下主要负责维持熔池的整体热输入，确保其持续存在，并完成丝材熔化，而峰值电流则可在较大电弧力的作用下实现熔池的铺展，形成“扁平化”的熔池，促进熔池内部的元素均匀化。
在上述研究基础上，本团队又进一步提出了交替脉冲电子束(能量配比、交替频率及工作距离)的方式用于调控熔池热质行为，即通过电子束在偏转线圈的作用下实现热源的快速摆动，其中主束流主要用于形成熔池并熔化丝材，子束流主要工作在熔池尾部，对于熔池特性进行调控，但是两热源以共熔池方式工作，如图16所示。结果表明该新型热源可以对熔池温度场、流动模式及持续时间进行灵活调控，尤其是在金属反冲压力的交替作用下使得熔池内部存在往复流动的工作模式，对于促进元素扩散十分有益。通过该新型热源的调控下，所沉积的Ti2AlNb样件具备良好的成分均匀性，且致密度也得到了较大程度的提高，力学性能也可达到与铸件相当的程度[77,86]，不同参数下熔池形貌及温度场分布如图17所示。基于该技术，本团队进一步通过在线调整两束流直接的相对位置关系，实现了熔池稳定性控制，有效满足了不同送丝速度、不同异质材料及不同工艺参数下的熔池冶金需求，也将交替脉冲电子束推广成了异质熔丝增材领域熔池调控的普适性技术。
5、面临挑战与发展趋势
异质熔丝增材AM技术突破了传统加工方式在多材料构件成形过程中的局限，在成分设计及结构设计方面展现了巨大的优势，有望为多材料构件的成形制造提供一种新的范式。然而作为一项新兴技术，该技术目前还面临诸多困难或技术难点亟需解决，具体介绍如下:
(1)成分分辨率不足。通常条件下，异质熔丝AM技术通常以“熔池”为成分区分单元，在激光、电子束或电弧热源沉积条件下，熔池通常在厘米级，其中宽度约为7-15mm，而长度约为10-25mm。因此，通过熔池进行成分调控通常使得成分区分界线不明确。因此如何减小熔池尺寸，提高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。虽然异质熔丝增材制造技术在成分设计及结构设计方面展现了巨大的优势，但是当前研究位于起步阶段，仍以工艺探究下的薄壁样件为主，且界面设计也多为梯度渐变式，设计简单。如何发掘该技术在多金属构件加工方面的优势是该技术需要发展的方向。
(3)成形过程复杂且稳定性差。异质熔丝过程丝材过渡复杂、工艺参数众多且过程时变，导致该技术沉积过程稳定性较差，从而使得沉积样件成分精度、均匀性及成形质量面临巨大挑战。因此发展异质熔丝沉积过程在线监测及闭环控制技术，提高沉积过程稳定性是该技术亟需发展的另一重要方向。尤其是近些年人工智能技术的快速发展，对于提高过程鲁棒性，精准识别熔池、熔滴过渡等复杂动态特征，并预测潜在缺陷具有重要意义，是推动该技术走向工业化、实现高稳定性及高成形质量的关键赋能技术。
异质熔丝AM技术虽因其高材料利用率及有效功能梯度沉积效率展现出巨大潜力，但实现其工程应用仍面临挑战。从技术成熟度(TechnologyReadiness Level,TRL)来看，该技术目前整体处于实验室验证阶段(TRL3-4)，主要集中于工艺可行性验证、熔池内原位冶金反应机理的基础探索以及沉积试样宏观性能的表征。尽管原理已经得到证实，但距离形成稳定、可靠、可重复的标准化工艺规范尚有较大差距。相比之下，异质送粉技术虽成本相对高昂，但在航空航天等领域的原型验证已先行一步，达到了更高的TRL级。这种成熟度差距揭示了异质熔丝技术未来的核心发展方向，应着力攻克高精度多丝协同控制、熔池冶金过程精确调控及智能装备等关键瓶颈，才能推动技术从实验室走向工程应用，真正发挥其颠覆性潜力。
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（注，原文标题：异质熔丝增材制造多材料构件研究进展_李自祥）
