1、研究背景
随着现代工业的快速发展，零部件所处的工作环 境愈加复杂，通常要求具备多功能耦合及广泛的环境 适应能力。然而，由传统制造方法所生产的单一材料 零部件，逐渐难以满足这些多样化的需求。通过结合 不同材料的优异性能，多材料结构能够有效满足多种 工况的要求，因此在航空航天、汽车、电子元件、核能及包装等领域的应用潜力日益受到关注。近年来， 迅猛发展的增材制造技术，为解决传统加工方法在金 属多材料制造中的性能瓶颈、低生产效率及难以加工复杂零部件形态等问题提供了新的解决方案。增材制造技术能够通过直接连接以及过渡连接（例如中间层 和成分梯度）的方式，实现创新性的多材料结构设计 与制造 [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 要应用于金属多材料制造的增材制造技术 [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，能够进行精密的多材料界面制造， 适用于高精度、多功能的小型部件制造。相比之下，DED技术在大规模高效制造方面展现出明显的优 势，尤其是在制造功能梯度材料（functionally graded materials，FGMs）时，通过连续调控材料成分，可 实现单一部件内性能的空间分布优化。
钛合金因其高比强度、优异的抗疲劳性、良好的 生物相容性以及高耐腐蚀性，广泛应用于航空航天、 医疗、汽车等领域。根据晶体微观组织的不同，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 料结合面临两方面的限制。首先，多材料之间的物理 性质差异，尤其是热膨胀系数、热导率、比热容等热物理性质，可能导致界面处材料凝固行为的改变， 从而诱发凝固裂纹等缺陷。在增材制造过程中，由于 冷却速率极快，多材料界面处的高温梯度可能会引起 较大的残余应力，进而表现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应，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材料界面区域的 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，以其优异的机械性能、良好的抗腐蚀 性以及较为良好的成形性，广泛应用于建筑、汽车、 航空航天、能源等领域。钛合金与不锈钢的多材料结 构因其优异的耐腐蚀性、较高的强度和相对较低的制 造成本，可以在化学及核工业领域获得广泛应用[10]。 然而，采用传统焊接方法制备的钛/钢多材料结构， 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 的热膨胀系数差异较大，凝固过程中残余应力的释放 可能导致多材料界面处产生裂纹，从而限制了力学性能 [13]。
对于钛/钢的多材料组合，本文深入探讨了不同中间层对界面反应合金成分的隔绝效果，并将传统的 焊接工艺拓展至增材制造领域。通过分析增材制造过 程中的工艺参数、金属材料固有特性以及合金元素的 掺杂效应，揭示这些因素对熔池状态和微观结构演化 的影响，旨在深入探讨影响多材料界面成型质量的 关键因素，并系统评估其对力学性能的影响。最后， 通过分析先进增材制造技术的应用实例，展望激光增 材制造在金属多材料结构加工中的关键技术问题及面向包装产业的未来研究方向。
2、钛/钢多材料连接
钛合金与不锈钢多材料界面具有急剧的元素过 渡，两种材料热物理性质（热膨胀系数、热导率、熔点等）的显著差异，在熔池内凝固过程中导致较高的 残余应力，并可能在界面处产生裂纹等缺陷。因此， 钛合金与不锈钢的多材料界面常通过中间层连接，以 隔绝两侧的反应，减少IMCs的生成。通过选择不同 类型的中间层，结合不同连接方法，可以获得形貌和 性质各异的界面，具体分析见表 1。
2.1 纯金属中间层连接
对于钛合金与不锈钢的多材料连接，通常使 用 Cu、Mg等合金作为中间层，不仅可有效降低制造成本，且可有效减少两侧反应生成的 IMCs。I. Tomashchuk 等 [14] 使用 Cu 作为中间层，通过电子 束焊连接了TC4钛合金和316L不锈钢，并研究了 在焊接速度为1.8 m/min 下激光分别偏置在TC4侧和316L侧对多材料界面的影响。结果表明，激光偏 置在TC4侧会在界面熔合区附近产生未熔合缺陷， 而偏置在316L侧，结合中间层的引入，可有效抑制TC4的熔化，减少TC4与316L反应生成的IMCs， 从而提高界面结合强度（见图 1）。
Gao M. 等 [15] 使用 Mg 合金作为中间层，通过激 光焊连接了TC4钛合金与 304L 不锈钢。界面元素分 析说明 Mg 作为中间层有效阻止了不锈钢和钛合金之 间的元素扩散与反应，减少了IMCs的生成（见图 2）。 在拉伸试验中，所有样品均在界面处断裂，说明 Mg中间层为多材料结构中最薄弱部分。
在焊接过程中，激光偏置可以优化焊接效果，适 应不同材料的物理性质。而增材制造技术的引入可根 据不同材料的性质选择合适的参数，为 Cu 等中间层 带来了更广泛的应用前景。Tey C. F. 等 [16] 通过引入Cu 中间层，利用 L-PBF 技术成功连接了TC4钛合金 和316L不锈钢，并分析了不同激光参数对中间层两侧界面的微观组织和整体结构力学性能的影响。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 种形貌差异较大的区域（见图 3），过渡 区内完全由 ε-Cu 和 γ-Fe 相组成，无反应产物。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， 因此界面区内呈现尺寸较小的细晶。随着 Cu 中间层 增材制造过程的进行，316L的含量进一步减少，晶 体的生长逐渐由冷却方向主导，并沿建造方向逐渐转 变为柱状晶。
TC4 侧界面过渡区内同样呈现明显的分层结构， 并存在多种不同的相成分，不同激光扫描速度得到的 样品成分分布也不完全相同（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基底内扩展并被其中的 α′-Ti 阻隔，由于下方区域较 高的 Cu 含量，裂纹优先向下扩展，穿过非晶和 L21相的薄层，最终扩展至底部 Cu 中间层内。由于 α′-Ti韧性较高且其在脆性 β-Ti+Ti2Cu 中的分布能够有效 阻止裂纹的扩展，因此在不同扫描速度的样品中，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本身强度较低，其作为中间层连接钛合金和不锈钢后，在拉伸过程中 仍会在界面处断裂，难以满足许多使用要求。高强的 金属材料通常是难熔金属（W、V、Mo 等），不少 研究尝试了将高强的难熔金属 V 作为连接钛合金与 不锈钢的中间层，以有效抑制 IMCs 的生成，但高熔 点的 V 中间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]。增材制造中的高能量密度为提 高难熔金属中间层成型质量、得到结合良好的多材 料界面带来了更多选择。N. K. Adomako 等 [19] 通过L-PBF 在TC4基板上制造了 V 中间层，然后用 L-DED制造了 17-4PH 不锈钢，并分析了 L-PBF 过程中扫描 速率对中间层的影响。采用较高激光能量时，V 中间 层隔离了 17-4PH 中元素的扩散，可形成无 IMCs 的 界面（见图 5）。但大部分难熔金属作为中间层并不 能完全阻止钛合金中元素扩散。当激光能量不足时， 部分钛合金中的元素会扩散至中间层内，并与不锈钢 反应生成 IMCs[18-19]。且难熔金属经历高能量的激光 热输入成型后，其内部往往残余应力水平较高，需要 通过后续的热处理调控强度与韧性以满足使用需求。
2.2 中高熵合金中间层连接
传统合金和难熔金属的各种不足促使中间层的 研究向多成分、多组元合金的方向发展。近年来，中 高熵合金（MEA/HEAs）打破了由一种或两种主要金 属元素构成的传统合金设计理念。它们是由具有高混 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，在熵合金中倾向于形成 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种原子在高熵合金内部的扩散 变得异常困难，被称为迟滞扩散效应，这一效应有利 于防止在异种金属连接过程中界面处生成 IMCs 反应 层 [26]。
中高熵合金的多种性质为隔绝钛/钢界面上元 素相互反应提供了更好的条件，因此其作为中间层 的应用也被逐渐开发。在 HEA 制造过程中，Ti 和Cu 被认为分别与 Zr 和 Ni 相似，因为二者的混合焓 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 中间层 钎焊连接了TC4钛合金和316L不锈钢，并研究了其中Ni和Zr元素含量对界面微观组织和力学性能的影响。
Ni 元素削弱了 HEA 中间层在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个反应层，反应层内形成了 FeTi、Fe2Ti、FeCr 和 α-Fe相，大量 IMCs 的分布导致界面成为整体结构中最 薄弱部位（见图 6）。FeTi 与 Fe2Ti 相之间的界面 存在非共格现象，晶格不匹配度达到 61.4%，导致 在 ( β-Ti + FeTi)/Fe2Ti 界面处出现裂纹。裂纹主要沿 着 Fe2Ti 和 FeCr 层传播，具有脆性特征。钎焊接头 的强度随 Ni 含量上升呈现先增后降的趋势，Ni 含量 为 11% 时，最大剪切强度为 318 MPa[20]。Zr 元素同样削弱了中间层在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 反应层的厚度变薄（见图 7）。亚微米β-Ti 相在 FeTi/Fe2Ti 界面附近沉淀，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 含量的增加，先增加后减小，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 面处发生了脆性断裂 [21]。
传统焊接方式加工的高熵合金难以达成各成分的完全融合，因此无法完全达成迟滞扩散效应以阻止 两侧反应 IMCs 的生成。增材制造技术的引入拓展了更多种类的高熵合金作为中间层的应用。Jiang T.等[22]采用 L-DED 的方法，通过 FeCrCuV 中间层成功连接 了TC4钛合金和316L不锈钢，得到了结合良好的多 材料界面（见图 8）。316L侧界面良好，无明显裂 纹，分界较为明显，EDS 元素分析也表明没有明显的元素扩散现象。TC4侧界面有明显的元素扩散现象，MEA中间层中的Cu在向TC4侧扩散过程中出现明显的富集区。相反地，由于迟滞扩散效应，TC4 侧中 的元素向MEA中间层扩散较少。通过MEA中间层连接的多材料界面抗拉强度达到（253±15）MPa， 相比其他中间层或其他制造方式有明显提升[22]。
目前，对高熵合金成分体系的系统性研究有限， 需针对不同异种金属体系筛选出最优化的高熵合金 中间层材料成分。且由于高熵合金中各元素的熔化温 度差异较大，在增材制造过程中可能导致非均匀的 组织或不理想的界面结合，需要通过进一步的优化探 索合适的加工参数、粉末选择和热处理工艺。因此， 通过增材制造高熵合金作为钛合金与不锈钢连接的 中间层材料仍缺乏广泛的应用 [29]。
未来，随着增材制造技术的不断进步，研究将集 中在优化合金成分设计与工艺参数，改善多材料界面 性能。此外，借助多尺度建模与模拟，可以预测高熵合金在增材制造过程中的行为，为工艺优化提供指 导，进一步拓展增材制造高熵合金在钛合金与不锈钢 中间层领域的应用。
3、结论与展望
随着现代制造技术的发展，异种金属间的多材 料连接问题逐渐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、激光偏置焊等方法 在一定程度上解决了金属材料间的连接问题，但由于 不同金属之间的热物理性质、化学反应特性和熔化行 为差异，连接过程中常常会产生不利的界面反应或冶 金问题，影响连接质量与性能。特别是在钛合金与 铝合金 [30-32]、不锈钢等金属材料连接时，这些差异 更加显著，因此必须精确控制连接过程中的热输入、熔池动力学以及冷却速率，以确保焊接区域的冶金结 合质量达到要求。
对于钛/钢多材料的结合，界面反应与冶金结合 质量是影响连接效果的核心因素。钛合金与钢不互 溶的化学成分和物理性质较大的差异通常导致界面 区域的多种缺陷，不仅降低了接头的力学性能，还可能造成连接区域的应力集中，甚至导致界面失效。 通过精确调控焊接参数、合理选择焊接材料可以缓解 上述问题。
增材制造技术的引入为钛/钢多材料连接提供更 多的创新路径。传统焊接方法通常依赖于固定的焊接材料，而增材制造能够根据需求灵活调整材料成分和 结构，并设计应用多种中间层以减少界面处钛合金与钢中元素的互相反应，可以平滑不同金属间的成分变 化，从而优化界面微观结构。通过增材制造技术引入的中间层能够有效减少脆性相的生成，改善界面的抗 拉强度、抗疲劳性能和断裂韧性，显著提升连接效果，避免了传统焊接中由于材料不兼容导致的界面失效。 这不仅提高了连接部件的强度和耐腐蚀性能，还改善了结构的整体性能，使得这些连接部件在航空航天、 汽车、海洋工程等领域中得到了广泛的应用。
随着包装领域工业应用需求的不断提高，金属多 材料连接技术亟需进一步提升其适应性和可靠性，以 满足包装机械、金属容器、包装教具等产品日益增长 的技术标准和质量要求。特别是在食品包装、医药包 装及高端工业包装等高要求领域，金属多材料连接技 术的应用将有助于提升包装产品的性能，如增强抗压 强度、提升密封性能以及延长使用寿命等。通过技术 的不断创新与进步，金属多材料连接将在更多包装细 分领域展现出其独特的应用价值，推动包装制造产业 的发展与升级。未来，随着材料科学、制造工艺以及 智能制造技术的持续发展，金属多材料结构将在包装 装备领域的应用潜力将得到进一步释放，带来全新的 设计理念和技术方案，进而推动包装行业向更高效、 更环保、更智能的方向发展。
综上所述，钛合金与钢的多材料连接研究已取得 了显著的进展，尤其是在增材制造技术的应用方面， 展示了广阔的前景和巨大潜力。尽管如此，现阶段 的研究仍然存在一些挑战，特别是在界面反应控制、 材料设计、工艺优化等方面仍需进一步深入探索。在 未来的研究中，需要结合先进的计算模拟技术、实验 方法和多尺度表征手段，深入研究不同金属间的连接机理及界面反应规律。同时，随着工业应用需求的不 断提高，金属多材料连接技术必须进一步提升其适应 性和可靠性，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标准和质量要求。通过技 术的不断创新和进步，金属多材料连接将在更多的领 域展现出其独特的应用价值，推动相关产业的发展与 升级。
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