[启明增材制造]轻量化、高性能、低成本的异种金属结构，近年来在先进制造领域需求日益迫切。铝合金凭借低密度、高比强度和低成本成为轻量化首选，而钛合金则以卓越的力学强度和优良的耐腐蚀性适用于关键承力和防腐蚀部件，将二者结合形成Ti/Al异种结构，可实现轻量化与高性能的协同优化。然而，传统铸造、焊接及液相增材制造工艺易在异种金属界面产生大量脆性化合物，导致界面强度不足、残余应力过大，严重制约了其工程应用。如何在精准控制界面反应的同时提升结构力学性能，成为异种金属制造领域的技术瓶颈。
哈工大威海校区材料科学与工程学院张洪涛教授研究团队在异种金属增材制造领域取得重要突破性进展，团队提出的“固-液相混合增材制造技术”成功实现钛/铝（Ti/Al）异种结构的高性能制备，有效解决了传统工艺中脆性金属间化合物大量生成、残余应力集中等关键难题。相关成果以《基于混合固-液相增材制造实现高性能钛/铝异种结构的新方法》（Novel Method for Achieving High-performance Ti/Al Dissimilar Structure via Hybrid Solid-liquid Phase Additive Manufacturing）为题，发表于增材制造工程技术领域顶级期刊《Additive Manufacturing》。（该研究得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的资助。）
图1 采用超声固结中间层与激光熔丝增材实现高性能钛/铝异种金属结构制备工艺路径
01
创新点：铌箔中间层+固液相增材
针对这一难题，研究团队创新提出“超声固相增材+激光熔丝增材”的混合固-液相加工策略，利用超声固相增材制造工艺将高熔点且延展性好的铌箔作为中间层固结在铝合金基板表面，随后采用激光熔丝增材制造技术在铌中间层上沉积钛合金结构，通过精准热控优化界面冶金反应，抑制脆性相过度生长。
图2 (a-b) 超声增材设备及工艺示意图。 (c-d) 激光增材制造设备及过程示意图。
这种“固-液”协同工艺使Ti/Al界面形成独特的“固相扩散结合区+液相反应结合区”混合微观结构，既强化了界面结合强度，又有效降低了残余应力。
02
亮点数据：力学性能全面提升
在系统实验验证中，团队发现新工艺带来的性能提升是极其显著：
拉伸强度大幅提升：单道十层样品的最大抗拉强度达到 127 MPa，比直接增材制造提升了 72%！
剪切强度翻倍：在多道多层增材中，相邻焊道形成了“联锁链”结构，界面最大剪切强度提升至 81 MPa，相较于直接增材制造暴增了 244.7%！
残余应力显著下降：有限元模拟证实，铌中间层的引入有效充当了“热障”，减少了铝基体的热输入。在十层沉积时，其残余应力仅为直接增材制造的 50% 左右，极大降低了开裂风险。
图3 (a) 抗拉强度对比 (b) 剪切强度对比 (c) 界面显微硬度 (d) 纳米压痕测试位置 (e) 纳米压痕结果：载荷-位移曲线。(f) 硬度值。 (g) 杨氏模量测量结果。 (h) 塑性变形功计算示意图。 (i) 塑性变形功。
03
微观机理：中间层的“混合界面”
为什么加入铌箔后性能会如此优异？研究揭示了其有意思的微观结构：
铆钉状+锯齿状复合界面：激光熔化部分铌箔与铝反应，形成了上宽下窄的“铆钉状”冶金结合区；而未熔化的铌箔则与铝保持了超声固相形成的“锯齿状”机械咬合区。这种“冶金结合+固相连接”的混合模式，像拉链一样将两侧扣住。
图4 锯齿接口形态和标测结果。
抑制脆性相，生成韧性相：热力学计算表明，铌元素的加入不仅抑制了脆性极大的Al-Ti化合物生成，还在界面处形成了Al0.23Nb0.07Ti0.7三元固溶体。铌原子取代了部分铝或钛，增加了金属键比例，大幅提升了界面韧性。
纳米级界面解析：TEM分析证实，Al-Nb界面生成了约353 nm厚的 Al3Nb化合物层，且两相之间形成了半共格界面，实现了原子级结合。
图5 多道、十层界面的全局视图。(b) a图的放大图像。 (c) FIB（聚焦离子束）样品制备过程。 (d) 明场TEM（透射电子显微镜）图像。 (e) TEM与EDS（能谱仪）联用分析结果。 (f) Nb–Al₃Nb界面HRTEM（高分辨透射电镜）图像。 (g) Nb–Al₃Nb界面的FFT（快速傅里叶变换）分析。 (h) Al₃Nb–Al界面的高分辨TEM图像。 (i) Al₃Nb–Al界面的FFT分析图像。
图6（a）界面形成机制（B）界面演化机制。
04
结语与展望
论文链接：
https://authors.elsevier.com/a/1mLDa7tcTWt0K6
通讯作者介绍：
张洪涛（通讯作者），哈尔滨工业大学长聘教授、博士生导师、泰山学者特聘专家、山东省高层次人才、山东船舶技术研究院船舶焊接技术研究所所长、中国焊接学会熔焊专委会委员、中国焊接学会压焊委委员、山东省高层次人才发展促进会会员。承担了国家自然科学基金联合重点项目、国家自然科学基金面上项目、国家海洋局自主创新发展示范项目等课题多项。先后提出异种金属连接“表面瞬时液膜”促润概念，异种金属连接界面“激光-超声”联合调控等新概念，研制成功了我国第一台水下200m半自动湿法焊接装备，自主研发了密闭狭小空间远程控制焊接智能小车、磁控等离子-MIG复合焊接等船用高效焊接方法等核心技术，累计发表SCI学术论文30余篇，授权专利40余项，其中发明专利20余项，带领团队先后承担国家自然科学基金联合重点项目、面上项目以及海洋局创新示范专项等课题50多项，获国家自然科学奖二等奖、中国有色金属工业协会奖二等奖、中国技术市场金桥奖二等奖。
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