关于双线直写沉积技术在功能梯度材料中的应用的综合研究：微观结构、性能与缺陷

《Journal of Materials Research and Technology》：A Comprehensive Review of Twin-Wire Direct Energy Deposition for Functionally Graded Materials: Microstructures, Properties and Defects

现代工业制造面临产品一致性和高性能材料开发挑战，传统单质材料逐渐被合金、复合及高熵合金取代。金属增材制造（WDED）因近净形快速成型特性备受关注，但其材料灵活性受限。双丝定向能量沉积（T-WDED）通过同步熔化两股异质金属丝，实现功能梯度材料（FGM）和定制合金的精确调控，显著提升沉积速率与性能。研究表明，T-WDED通过调整丝速比可形成Fe-Al、Ti-Al、Ni-Ti等多元合金，微结构演变（如柱状晶向等轴晶转变）直接影响力学性能（强度、硬度、延展性）。然而，热失配导致残余应力、孔隙及裂纹等缺陷，需通过工艺优化（如交替熔化、气体保护）和成分设计（如添加Cu、Nb等元素）缓解。该技术为航空航天、能源等领域复杂构件的快速制造提供新路径。

　　### 介绍与背景

随着现代工业制造领域对产品开发效率和性能要求的不断提升，材料制造技术正经历着深刻的变化。传统的单体材料在许多应用场景中已经显得力不从心，而金属增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的出现为这一挑战提供了新的解决方案。特别是金属直接能量沉积（Direct Energy Deposition, DED）技术，因其能够实现近净成形和快速制造，成为研究和应用的热点。DED技术在制造过程中，通过将金属线材熔化并沉积到基材上，能够显著减少材料浪费，同时提高生产效率。然而，传统的DED技术在材料选择上存在一定的局限性，限制了其在更广泛领域中的应用。为克服这一限制，Twin-Wire Direct Energy Deposition (T-WDED)技术应运而生，它通过同时熔化和沉积两根金属线材，实现了更高的沉积速率和材料性能的定制化。

T-WDED技术不仅能够满足现代制造业对快速、高效和高精度制造的需求，还在开发新型合金、复合材料和功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGM）方面展现出巨大的潜力。这种技术的核心在于其能够通过精确控制两根线材的沉积速率，实现不同区域的材料成分梯度化。这不仅有助于材料性能的优化，还为解决传统材料难以满足复杂性能需求的问题提供了新的思路。

### T-WDED技术概述

T-WDED技术的核心在于其能够通过同时熔化和沉积两根金属线材，实现材料的梯度化制造。相比传统的DED技术，T-WDED在沉积速率和材料性能调控方面具有明显优势。其主要优势在于能够实现更高的沉积速率，同时通过材料组合的多样化，提高材料的性能表现。在实际应用中，T-WDED被广泛用于制造复杂形状的金属构件，如涡轮叶片、轴承部件、航空航天结构等。

然而，T-WDED技术也面临一些挑战。其中，线材同步熔化和沉积的难度、热源与材料之间的相互作用、以及沉积过程中可能出现的缺陷，都是影响其性能的关键因素。此外，不同金属线材之间的热导率差异可能导致沉积过程中出现不均匀的热分布，从而影响材料的微观结构和最终性能。因此，如何在保持高沉积速率的同时，实现材料性能的优化，是T-WDED技术发展中的一个重要课题。

为了克服这些挑战，研究人员通过调整线材的沉积速率、熔化温度和冷却速率等参数，尝试优化T-WDED的制造过程。例如，通过减少线材的沉积速率，可以降低热输入，从而减少热应力和裂纹的产生。同时，采用不同的熔化方式，如电弧熔化、等离子弧熔化和气体保护熔化，也对最终材料的性能产生重要影响。这些技术的综合应用，使得T-WDED能够在不同应用场景中发挥更大的作用。

### T-WDED的微结构演化

在T-WDED制造过程中，材料的微结构演化是决定其性能的关键因素之一。不同金属线材的熔化和沉积过程，会受到多种因素的影响，包括沉积速率、熔化温度、冷却速率以及线材的化学成分等。这些因素共同作用，使得沉积区域的微结构呈现出多样性。

以Cu-Al合金为例，研究发现，随着沉积高度的增加，微结构从细小的柱状晶粒逐渐过渡到更粗大的等轴晶粒。在Cu-Al合金的沉积区域中，由于Cu和Al的熔化温度不同，导致了不同的相变行为。在沉积过程中，Cu的含量越高，其晶粒结构就越倾向于形成等轴晶粒，而Al的含量则可能促进柱状晶粒的形成。这种微结构的变化不仅影响了材料的力学性能，还对材料的疲劳性能和热稳定性产生重要影响。

在Ti-Al-Nb合金的沉积过程中，研究人员发现，随着Nb的加入，微结构从β相向α相转变，从而改善了材料的强度和韧性。这种转变是由于Nb与β相之间的强烈相互作用，使得β相在冷却过程中发生相变，形成更细小的α相晶粒。此外，Nb的加入还促进了纳米级的β相的形成，使得材料在微观结构上更加均匀，从而提高了其整体性能。

在Ni-Al合金的沉积过程中，微结构的变化同样显著。研究发现，当Al的含量增加时，Ni-Al合金的微结构从单一的γ'相逐渐转变为γ + γ'双相结构。这种转变不仅提高了材料的硬度，还增强了其抗疲劳性能。此外，沉积过程中出现的相变现象，如γ'相的形成和变化，也对材料的最终性能产生重要影响。

这些研究结果表明，T-WDED技术能够通过微结构的调控，实现材料性能的优化。通过精确控制沉积参数，研究人员能够实现不同区域的微结构梯度化，从而满足不同应用场景下的性能需求。这种微结构的梯度化，不仅提升了材料的强度和韧性，还为制造具有特殊功能的复合材料和功能梯度材料提供了可能。

### T-WDED的机械性能

T-WDED制造的材料在机械性能方面表现出色，尤其是在强度、硬度和韧性等方面。以Ti-6Al-4V合金为例，研究发现，通过加入Cu，能够显著提高其硬度和强度。具体来说，当Cu的含量增加时，材料的硬度和强度均呈现出上升趋势，而韧性则略有下降。这种性能的变化主要归因于Cu对晶粒结构的调控作用，以及其对材料内部应力分布的影响。

此外，研究还发现，T-WDED制造的材料在不同沉积方向上的性能表现存在差异。例如，在垂直沉积方向上，材料的硬度和强度较高，而在水平沉积方向上，这些性能则有所下降。这种性能的不均匀性，主要与沉积过程中热输入的分布有关。较高的热输入会导致材料在沉积区域出现较大的晶粒尺寸，从而影响其整体性能。

在某些特殊合金的制造中，T-WDED技术还能够实现更高的机械性能。例如，研究发现，通过加入Nb，能够显著提高Ti-6Al-4V合金的硬度和强度，同时减少其脆性。这种性能的提升，主要得益于Nb对材料微观结构的优化作用，以及其对晶粒尺寸的调控能力。

### T-WDED的缺陷分析

尽管T-WDED技术在材料性能方面表现出色，但其在制造过程中也存在一些缺陷。这些缺陷主要包括气孔、裂纹、变形和局部结构不均匀等。气孔是T-WDED制造过程中最常见的缺陷之一，主要由熔化过程中气体的滞留和冷却过程中的热应力引起。通过优化沉积参数，如减少线材的沉积速率和提高熔化温度，可以有效减少气孔的形成。

裂纹的产生则与材料的热应力和相变有关。在T-WDED制造过程中，由于不同金属线材的热导率差异，可能导致沉积区域出现不均匀的热分布，从而产生裂纹。此外，沉积过程中出现的相变现象，如γ'相的形成和转变，也可能导致裂纹的产生。因此，如何在保持高沉积速率的同时，减少裂纹的产生，是T-WDED技术发展中的一个重要挑战。

变形和局部结构不均匀则是由于沉积过程中热应力的累积和冷却速率的不一致所致。这些现象不仅影响材料的外观，还可能对其力学性能产生不利影响。因此，研究者们通过优化沉积参数和调整熔化方式，尝试减少这些缺陷的出现。

### T-WDED的未来发展

随着材料科学和制造技术的不断发展，T-WDED技术也迎来了新的发展机遇。未来的研究将更加注重对材料微结构的精确控制，以及对沉积过程中热应力和相变行为的深入理解。通过引入先进的计算技术、机器学习工具和人工智能算法，可以实现对T-WDED过程的优化，从而提高其制造效率和材料性能。

此外，T-WDED技术还可能与其他制造技术相结合，以进一步拓展其应用范围。例如，通过引入粉末喂料系统，可以实现对陶瓷基复合材料的制造，从而提高材料的耐高温性能和耐磨性。同时，通过优化线材的化学成分和沉积速率，可以实现对材料性能的进一步调控，从而满足不同应用场景的需求。

### 结论

T-WDED技术作为一种新型的金属增材制造方法，其在提高制造效率、优化材料性能和实现材料定制化方面展现出巨大的潜力。通过精确控制线材的沉积速率和熔化温度，研究人员能够实现材料的微结构调控，从而满足不同应用场景下的性能需求。尽管T-WDED技术在制造过程中存在一些挑战，如裂纹、气孔和局部结构不均匀等，但通过优化沉积参数和引入先进的制造技术，这些缺陷可以得到有效控制。

未来，随着对材料微结构和性能的深入研究，T-WDED技术有望在更多领域中得到应用。特别是在航空航天、生物医学和能源等高端制造领域，T-WDED技术将为材料的创新和性能的优化提供重要的技术支持。通过不断改进制造工艺和材料设计，T-WDED技术将成为现代制造业中不可或缺的一部分。