铜和钢如何“和平共处”？传统3D打印制造的异种金属部件，界面像“夹心饼干”般成分突变，稍受力就开裂。而德国勃兰登堡工业大学团队最新研发的激光重熔技术，通过“二次加热搅拌”，让金属原子充分扩散，界面反应区厚度翻倍至610μm，混合度提升100%，为航空发动机燃烧室、核电管道等关键部件量产扫清障碍。这项研究发表于《Frontiers of Mechanical Engineering》。

传统3D打印的“材料鸿沟”：铜钢结合像“摔碎的玻璃”
功能梯度材料（FGMs）通过成分渐变实现性能优化，比如铜-钢梯度材料能同时扛住高温和传导热量，是航空发动机的“理想材料”。但传统技术却让工程师头疼：

铸造、烧结工艺：像“捏泥人”，复杂形状做不了，成分梯度像“楼梯台阶”般跳变，受力时“一步垮塌”。
普通激光3D打印（L-PBF）：单粉末容器只能“一层铜一层钢”，熔池里的原子来不及“握手”，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”，界面脆得像玻璃，稍碰就裂。
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”。其秘诀在于“双驱动力协同”：

Marangoni对流：温度差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，界面从“脆玻璃”变成“牛皮糖”。
参数设计更讲究：团队测试4组工艺，V2组（激光功率800W，扫描速度1000mm/s，每层重熔）表现最佳——孔隙率从>5%降至<1%，像“把海绵挤成实心砖”，还避免了“过熔烧穿”的风险。

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

成分过渡从“悬崖”变“缓坡”：界面反应区从300μm增至610μm，铜渗透深度达350μm（提升84%），钢渗透280μm（提升154%），成分分布曲线从“直角台阶”变成“平滑斜坡”（图8）。
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“给界面加了缓冲垫”，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。
从发动机叶片到核电管道：材料“变形记”开启工业新篇
这项技术让“材料定制”成为现实：

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%，寿命延长3倍。
汽车制造：齿轮表面做钢-铜梯度涂层，耐磨又减摩，百公里油耗降低0.5L。
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教授表示：“下一步将测试钛-铝等难熔合金，目标2025年应用于工业生产。”

来源: FME机械工程前沿