多材料金属增材制造正在成为下一代高端装备实现“结构—材料—功能”一体化设计的关键技术。其不仅能够制造复杂几何结构，更能在同一构件内按需调控成分、组织与性能，为航空航天、能源装备、生物医学和先进机器人等领域提供全新的制造范式。然而，不同金属在激光作用下会发生快速熔化、熔池流动、瞬态混合和界面重构，由此带来的缺陷形成和成分偏析，是制约从单材料打印走向多材料协同成形的核心挑战。针对这一难题，北京大学先进制造与机器人学院张智琅研究员在国际综合类顶刊Advanced Science发表论文《Mixing-Driven Defects and Composition Evolution in Multi-Material Metal Additive Manufacturing》，提出了“原位—仿真—优化”的一体化研究框架，为理解与优化多材料金属增材制造过程提供了新方法基础。该工作也得到了合作单位苏黎世联邦理工学院（ETHZ）的报道。

区别于以往主要依赖成形后显微组织表征或定性仿真的研究，该工作实现了对多材料激光粉末床熔融（LPBF）过程中熔池流动、匙孔形貌、气孔演化和成分输运的同步解析。研究团队通过原位X射线成像直接捕捉激光加工过程中熔池、匙孔和气孔的高速动态行为，并利用多相、多材料、多物理场仿真重构实验中难以直接测量的速度场、涡量场、温度场和局部成分场。实验结果与仿真预测在匙孔形貌、深度波动和缺陷演化趋势上高度一致，体现了高保真模型对多材料熔池动力学的预测能力。

团队研究了适用于多材料金属增材制造的高保真多物理场仿真模型。该模型不仅引入了激光吸收、蒸发反冲压力、表面张力、Marangoni对流、浮力效应和气液界面演化等关键物理机制，还进一步考虑了材料混合和成分依赖的局部物性变化，从而能够描述不同金属在熔池中的瞬态相互作用。研究团队从组分反演精度、网格敏感性、相守恒能力和模型参数鲁棒性等方面开展了定量测试。通过对原位X射线获得的金属质量分数反演，研究团队比较了室温固态密度和沸点液态密度两种极限假设下的结果，得到Cu质量分数反演的最大绝对不确定度低于 0.02wt。其次，在多相界面追踪验证中，体系总体积分数始终接近理论值，且误差随网格细化而降低；在2.5 μm最细网格下，体积分数误差达到10⁻⁶量级，表明模型具有优异的相间质量守恒能力。气相、各金属相的全局体积分数在整个仿真过程中均保持近似恒定，说明该多相多材料模型中的人工界面扩散很小，预测得到的成分场和气孔演化不受明显数值扩散影响。在150 μm粉床厚度条件下，实验测得匙孔深度为152 μm，仿真结果为161 μm，偏差仅5.9%。通过与一系列同步辐射实验结果的对比，模型能够再现实验中观察到的熔池演化、匙孔形貌变化、气孔生成路径和材料混合趋势，这为多材料LPBF的过程设计提供了可靠的计算工具。

在此基础上，研究团队揭示了多材料混合对加工稳定性的显著影响。结果表明，多材料在熔池中的快速混合会改变局部表面张力、黏度和流动结构，进而重塑匙孔稳定性和缺陷形成路径。在较厚粉床条件下，匙孔会经历由 J形、I形、H形到O形的复杂周期性演化，并伴随更强的涡流和材料混合；而在较薄粉床条件下，匙孔形态呈现为更为简单的J形和I形，混合区域缩小，不稳定性有所减弱。这说明粉床厚度、材料混合和匙孔动力学之间存在紧密耦合关系，也为通过工艺参数调控缺陷提供了新的思路。

图1 原位观测+多物理场仿真重现多材料LPBF过程熔池演化以及孔洞缺陷生成路径

该工作系统分析了多材料打印中不同尺度孔隙缺陷的形成机制。研究发现，大气孔主要来源于匙孔拉伸、底部闭合和塌陷过程；小气孔则存在不同来源，一类来自熔池表面保护气体的卷入，另一类由大气孔在塌陷和破裂过程中分离形成。仿真模型进一步揭示了这些气孔在熔池内部的迁移、分裂和逸出过程与局部涡流结构及成分梯度密切相关。由此可见，多材料LPBF中的缺陷并非单一工艺参数作用的结果，而是材料混合、界面物性变化和熔池流动共同作用的产物。

除了揭示缺陷形成规律，该研究进一步展示了一体化分析框架在工艺优化中的应用价值。研究团队在12.1 J/mm²能量密度、50 μm粉床厚度和300 K边界温度条件下，进行了原位检测与仿真分析。研究发现二次扫描或受控重熔能够部分消除前一层残余气孔，促进气孔破碎、迁移和逸出，同时增强Cu元素在熔池中的再分布，使成分分布更加均匀。但这一过程也可能进一步改变原本设计的成分梯度。因此，多材料增材制造的工艺优化需要在缺陷抑制、成分均匀化和梯度保持之间实现平衡。

图2 多材料LPBF过程组分分布、匙孔演化以及熔池运动规律（上）；界面组分以及表面张力系数变化过程

该研究提出了多材料金属增材制造过程优化的两个重要方向：一方面，可通过调控粉末层厚度和能量输入抑制复杂匙孔振荡和混合驱动失稳，从源头降低大气孔形成概率；另一方面，可通过合理设计重熔和重复扫描策略，促进残余气孔消除和成分场调控，为制备低缺陷、可设计成分梯度的多材料金属构件提供依据。

该工作不仅深化了对多材料LPBF中材料混合、熔池稳定性和缺陷演化之间关系的理解，更重要的是建立了原位观测与高保真仿真相结合的定量研究范式。相关成果为多材料金属增材制造的工艺窗口拓展、仿真辅助设计和高可靠构件制造提供了理论基础和技术支撑，有望推动功能梯度金属材料、异质结构构件和高性能复杂零件的工程应用。

作者团队

北京大学张智琅研究员为该论文的第一作者及通讯作者，其他作者来自苏黎世联邦理工学院Bambach校长课题组 (ETHZ) 以及瑞士保罗谢尔研究所（PSI）。

论文链接

https://doi.org/10.1002/advs.75723