你知道吗？飞机发动机燃烧室既要耐高温又要导热好，但铜和钢直接焊接会开裂！传统3D打印想做“铜钢渐变材料”，界面却像“夹心饼干”——成分突变导致强度暴跌。近日，德国勃兰登堡工业大学团队在《Frontiers of Mechanical Engineering》发表研究，通过激光重熔技术让金属粉末在3D打印时“充分搅拌”，铜钢界面反应区从300μm增至610μm，混合度提升100%，为复杂形状功能梯度材料（FGMs）量产铺平道路。

传统3D打印的“材料鸿沟”：要么分层要么开裂
功能梯度材料（FGMs）就像“材料界的渐变滤镜”，成分从铜到钢平滑过渡，能同时扛住高温和应力，是航空发动机、核电设备的“理想材料”。但传统技术却有个致命bug：

铸造、烧结工艺：像“捏橡皮泥”，复杂形状做不了，成分梯度像“楼梯”一样跳变。
普通激光3D打印（L-PBF）：单粉末容器只能“一层铜一层钢”，熔池里金属原子来不及混合，界面反应区薄得像“一张纸”（约300μm），铜渗透深度仅190μm，钢渗透110μm，就像“油水不相溶”，稍受力就开裂。
激光定向能量沉积（L-DED）：虽能混粉，但像“用勺子搅粥”，混合不均导致界面脆化，孔隙率超5%，零件寿命大打折扣。
激光重熔：给金属“二次翻炒”，原子扩散距离翻倍
新方法的核心是激光重熔（LR）——每层打印后用激光再扫一遍，就像“炒菜炒两遍”，让熔池里的金属原子“跳得更欢”。它的秘诀在于“双驱动力协同”：

Marangoni对流：温度梯度让熔池表面张力不均，形成“热漩涡”（图1），像“热汤里的胡椒自动散开”，带动铜铁原子剧烈运动。
热扩散增强：二次激光延长熔池“液态时间”，原子扩散距离从300μm增至610μm，相当于“从教室这头跑到那头”，充分混合形成Fe-Cu固溶体新相。
参数优化更关键：团队设计4组工艺参数，其中V2组（激光功率800W，扫描速度1000mm/s，每层重熔）表现最佳——既避免“过熔烧穿”，又让孔隙率从>5%降至<1%，像“把海绵挤成实心砖”。

实测数据：铜渗透深度增84%，界面强度“从脆饼干变牛皮糖”
在铜-钢梯度材料测试中，激光重熔的效果惊艳：

界面反应区翻倍：从300μm增至610μm，成分过渡从“悬崖”变成“缓坡”（图4c、8），铜渗透深度达350μm（提升84%），钢渗透280μm（提升154%）。
新相强化界面：SEM-EDX显示，原本“老死不相往来”的铜和钢，现在形成均匀的Fe-Cu固溶体，像“给界面加了层牛皮糖”，再也不怕应力开裂。
复杂形状也能造：无需改造现有3D打印机，单粉末容器就能实现梯度设计，零件精度达±50μm，满足航空发动机叶片的复杂曲面需求。
工业价值：从发动机叶片到核电管道，材料“变形记”开启
这项技术让“材料定制”成为可能：

航空航天：发动机燃烧室用铜-钢梯度材料，内壁耐高温（钢）、外壁导热快（铜），重量减轻20%。
汽车制造：齿轮表面做钢-铜梯度涂层，耐磨又减摩，寿命延长3倍。
核电设备：不锈钢-镍基合金梯度管道，抗腐蚀性能提升，服役周期从10年增至20年。
论文通讯作者Alexander Schmidt教授指出：“下一步将测试钛-铝等难熔合金组合，目标2025年实现工业级应用。”

来源: FME机械工程前沿