综述：功能梯度材料的增材制造：进展、挑战及工艺与性能优化策略

《Next Materials》：Additive manufacturing of functionally graded materials: Advances, challenges, and strategies for processing and performance optimization

　　

功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGMs）代表了材料科学领域的重大突破，其通过成分、孔隙率及微观结构的渐进式转变实现组件性能的定制化设计。这类材料为解决航空航天、生物医学、核能及能源工业中的热学、力学及磨损相关挑战提供了有效方案。尽管在FGMs的制备机理与制造技术方面已取得显著进展，但在优化其制备工艺、服役性能及工业规模化应用方面仍存在根本性挑战。传统制备方法存在诸多固有缺陷，难以获得目标微观结构与性能，而增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的引入有效克服了这些限制，为FGMs的精确制备开辟了新途径，实现了不同材料相之间可控的渐进式转变。然而，尽管技术进步显著，界面缺陷控制、残余应力管理、工艺优化及FGMs在实际应用中的长期稳定性仍是核心挑战。鉴于AM技术的快速发展及其对FGMs研究的日益深远影响，本综述系统梳理了FGMs的传统制备技术与AM技术，重点阐述了材料体系开发、制备工艺、现存挑战及未来研究方向，旨在弥合研究与工业应用之间的鸿沟，为下一代FGMs的开发提供指导。

本文围绕功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGMs）的增材制造技术展开系统性综述，全文结构严谨，内容涵盖材料分类、制备工艺、典型材料体系及核心挑战四大板块。

1. 引言

该部分首先回顾了从青铜时代至今的材料演变历程，指出传统均质材料（如金属、合金、聚合物、陶瓷及复合材料）在工程应用中面临的根本性局限——复合材料因存在尖锐界面而易导致应力集中、分层及失效。受自然界生物梯度结构（如牙齿、骨骼、鱼鳞及竹子）的启发，FGMs作为一种新型工程材料被提出，其核心特征是通过成分与微观结构的连续或离散变化消除明显界面，从而显著降低应力集中、提升热阻与韧性，延长材料使用寿命。自20世纪80年代日本国家航空航天实验室首次提出FGMs概念用于航天飞机热障涂层以来，其研究呈指数级增长，已广泛应用于航空航天、核能、国防、医疗工程、能源、光学、电子及汽车工业等领域。通过对现有文献的系统梳理，本综述明确了当前研究的不足：多数综述局限于特定工艺或单一材料体系，缺乏对传统与AM工艺的全面对比、微观结构与性能关联分析及系统性挑战总结。因此，本文旨在填补这一空白，为下一代FGMs的研发提供框架。

2. 功能梯度材料的分类与应用

FGMs依据组成与微观结构特征可分为均质与异质两类：均质FGMs由单一材料构成，通过孔隙率、晶粒尺寸或织构的局部变化实现梯度；异质FGMs则由多种材料复合而成，兼具成分与结构梯度。进一步可按微观结构分为连续型（性能平滑过渡，无明确界面）与离散型（阶梯状变化，存在可区分界面）；按尺寸与厚度分为薄型（厚度<10 mm，多用于涂层）与块体（厚度>10 mm，用于结构件）；按梯度类型分为成分梯度、微观结构梯度及孔隙率梯度FGMs；按维度分为一维（1D）、二维（2D）及三维（3D）FGMs。

在应用层面，FGMs凭借优异的综合性能服务于多个高技术领域：航空航天领域利用其抗高温梯度、抗热震及耐腐蚀特性，制备火箭发动机、热交换板、涡轮叶片等关键部件，如Cu-Al₂O₃基FGMs；生物医学领域模拟天然组织的梯度特性，开发Ti-HA、Ti-ZrO₂等植入体，如3D打印制备的多孔梯度下颌假体；国防领域利用其抗冲击与抗裂纹扩展能力，制备Al₂O₃/ZrO₂复合装甲；能源电子领域用于固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）电极、热电器件及光学透镜；工具行业利用其高硬度与耐磨性制备切削刀具；核反应堆中则采用W-Cu基FGMs平衡极端温度下的耐热与散热需求。

3. FGMs的制备工艺

FGMs的制备主要分为气相法、液相法、固相法及增材制造四大类，工艺选择直接决定微观结构与性能。

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  3.1 气相工艺：包括物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）与化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）。PVD通过真空蒸发冷凝形成薄膜（厚度通常为nm至μm级），可利用Thornton结构区模型通过调控T/T_m（衬底温度/材料熔点）与气体压力控制涂层微观结构；CVD则通过气态前驱体在衬底表面反应沉积，可实现复杂内腔的均匀涂层，适用于半导体与陶瓷涂层制备。此外，热化学表面反应工艺（如渗氮、渗碳、硼化）通过扩散层形成梯度表面，提升钢的耐磨与疲劳性能。
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  3.2 液相工艺：包含热喷涂、离心铸造、熔渗及Langmuir-Blodgett法。热喷涂（如等离子喷涂、高速氧燃料喷涂）通过熔融粒子喷射沉积形成涂层，适用于大面积防护；离心铸造利用离心力实现增强相的径向分布，制备管状梯度件；熔渗工艺通过将液态金属渗入多孔预制体，制备低孔隙率块体FGMs；Langmuir-Blodgett法则用于制备分子级精度的超薄膜，应用于光学与传感器领域。
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  3.3 固相工艺：以粉末冶金（Powder Metallurgy, PM）与放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering, SPS）为核心。PM通过粉末配比、堆叠、压制与烧结制备块体FGMs，成本低且成分可控，如Al-Cu、Al-SiC系梯度材料；SPS利用脉冲电流活化烧结，升温速率快、烧结时间短，可获得高密度细晶结构，如W/Cu、Si₃N₄/W系FGMs，有效抑制界面反应与热应力。

3.4 增材制造（Additive Manufacturing, AM）

AM技术通过逐层堆积实现复杂梯度结构的一体化成型，是FGMs制备的革命性手段，主要包括七类工艺：材料挤出（Material Extrusion, MEX）、定向能量沉积（Directed Energy Deposition, DED）、粉末床熔融（Powder Bed Fusion, PBF）、材料喷射（Material Jetting, MJ）、粘结剂喷射（Binder Jetting, BJ）、光聚合固化（Vat Photopolymerization, VPP）及薄材叠层（Sheet Lamination, SHL）。

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  MEX（熔融沉积成型为代表）通过加热喷嘴挤出热塑性丝材，适用于聚合物基FGMs的大尺寸制备，但精度有限。
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  PBF（包括激光选区熔化Selective Laser Melting, SLM）通过激光选择性熔化粉末床，可实现高精度复杂结构，但铜、铝等高反射材料需采用短波长（绿光/蓝光）激光器以提升能量吸收率；多材料PBF面临粉末混合、回收分离及层间成分控制的挑战。
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  DED（激光/电弧为热源）通过同步送粉/丝实现大尺寸构件与梯度界面的灵活调控，是制备异种金属FGMs（如Ti6Al4V-Inconel 625）的首选工艺，但需精确控制激光功率、扫描速度等参数以避免裂纹与未熔合。
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  VPP（立体光固化）与MJ则主要用于陶瓷基与聚合物基FGMs的高精度制备。AM工艺参数（激光能量密度、冷却速率）直接影响熔池行为与界面质量，需针对FGMs的成分梯度进行动态优化。

4. 重要FGMs体系

该部分详细总结了四类典型FGMs体系的AM制备与性能：

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  钛基FGMs：钛合金因比强度高、生物相容性好成为核心体系，但Ti与Al、不锈钢、Ni基合金连接时易形成脆性金属间化合物（如TiAl₃、σ-FeV相）导致开裂。解决方案包括引入V、Cr、Fe等中间层或采用激光同步预热，如Ti6Al4V-Inconel 625体系经预热后成功抑制裂纹。
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  不锈钢基FGMs：AISI 316L、304L等不锈钢常与Inconel 625、P21钢等形成梯度结构，用于耐腐蚀与耐高温部件，但需注意Cr、Mo元素的偏析导致的脆化与裂纹。
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  铝基FGMs：铝合金通过与SiC、TiC等陶瓷颗粒复合提升强度与耐磨性，主要采用离心铸造与粉末冶金制备，增强相的均匀分布与界面结合是关键。
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  铜基FGMs：铜因高热导率用于热管理部件，但高反射率与高热导率导致其AM制备困难，需采用短波长激光与预热策略；Cu-钢FGMs在模具与热交换器中具有重要应用，需解决界面扩散与热应力问题。
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  陶瓷基FGMs：包括金属-陶瓷（如TiC/Ti6Al4V、Al₂O₃-ZrO₂）与陶瓷-陶瓷体系，通过引入TiC_p等增强相可显著提升断裂韧性与耐磨性，但需控制陶瓷相的溶解与裂纹扩展。

5. FGMs制备的挑战

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  金属间化合物形成：异种材料界面处易生成脆性相（如Fe-Ti、Ni-Ti相），需通过中间层设计（如Cu、NiCr、V/Cr/Fe梯度过渡）抑制。
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  热物性失配：热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）、导热率差异导致残余应力与开裂，可通过预热、中间层及工艺参数优化缓解。
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  工艺参数优化：AM过程中需根据局部成分动态调整激光功率、扫描速度等参数，以适应不同材料的能量吸收特性（如Cu在红外激光下吸收率仅2-5%，而316L钢为30-40%）。
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  计算方法的运用：相场法、有限元法及机器学习可用于预测裂纹扩展、热应力分布及工艺优化，降低实验成本。
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  稀释与成分梯度控制：AM的层间重熔导致成分混合，难以实现理想连续梯度，需通过控制熔池尺寸与凝固动力学减少稀释，并利用后处理扩散退火改善均匀性。
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  缺陷与残余应力：孔隙、裂纹、分层及残余应力是主要缺陷，可通过粉末质量控制、预热、后处理（热等静压）及引入压应力（如喷丸处理）改善。
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  原料污染与回收：粉末氧化、吸湿及成分偏析影响AM过程稳定性，需开发高效的粉末分离与再生技术。
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  可扩展性与经济性：AM效率低、成本高，限制了工业应用，需开发高效设备与低成本原料体系。

6. 结论与未来方向

AM技术为FGMs的制备带来了革命性突破，未来研究应聚焦于：开发兼容热力学稳定性与AM工艺性的新型合金体系；利用CALPHAD、相场模拟等计算工具指导材料设计与界面调控；发展多粉末进给与实时监测的AM硬件系统；结合机器学习实现工艺参数的自适应优化；拓展FGMs在生物医学（仿生植入体）、热能管理（热超构结构）及极端环境中的应用。通过上述努力，有望实现FGMs从实验室研究到工业化应用的跨越。