综述：增材制造金属功能梯度材料中的界面结构与承载力学性能

【编辑推荐】本综述系统阐释了增材制造（AM）尤其是定向能量沉积（DED）技术制备金属功能梯度材料（FGMs）时，激光功率、沉积策略等工艺参数如何通过调控界面结构（如成分梯度、残余应力）影响疲劳、蠕变等关键力学性能，为极端环境下的界面工程提供设计策略。

　　

增材制造技术用于FGMs的独特优势

功能梯度材料（FGMs）通过空间成分与微观结构的连续变化实现性能定制，而传统离心铸造等方法难以精确控制梯度过渡。增材制造（AM）技术如定向能量沉积（DED）通过逐层加工实现原位梯度调控，其中激光功率（如200-400 W范围）和扫描策略（如棋盘式沉积）可显著影响熔池动力学，进而改变界面区域的元素扩散行为。对比研究表明，DED在制备镍基/钢等多材料体系时，其界面过渡区宽度可达50-200 μm，远优于粉末冶金的离散界面。

界面结构的形成机制与调控

AM-FGMs的界面定义为成分、组织与力学性能的梯度过渡带，其质量直接决定承载能力。例如，Inconel 718/316L体系中，能量输入过高会导致界面处元素偏析形成脆性σ相，而适中的热输入（如250 J/mm³）可促进扩散 bonding。后处理同样关键：Li等通过直接时效处理将Inconel 718/316L FGMs的蠕变寿命从180小时提升至1700小时，归因于界面γ′相析出强化。

力学性能的界面依赖性

拉伸强度：Fe-Co/Ni FGMs的界面梯度连续性使强度达到1.2 GPa，断裂延伸率保持8%；疲劳性能：Ti-6Al-4V/Invar体系中，残余应力梯度设计使疲劳裂纹扩展速率降低40%；高温蠕变：DED制备的Ni-W FGMs在800°C下通过界面纳米氧化物钉扎，蠕变速率比均质材料低一个数量级。值得注意的是，当前研究对室温性能关注过度，仅15%文献涉及高温疲劳数据。

挑战与未来方向

现有瓶颈包括：① 缺乏统一界面表征标准，如梯度过渡区的定量描述；② 多物理场耦合模型亟待开发以预测界面演化；③ 生物医学应用中的细胞-界面相互作用机制尚不明确。未来可通过机器学习优化工艺窗口，并开发新型原位监测技术（如高速X射线成像）实时追踪界面动力学。

作者贡献与创新性

通讯作者Jan D?ugan（捷克工业与贸易部资助）团队首次建立了AM-FGMs"工艺-界面-性能"的全链条分析框架，填补了传统综述侧重材料兼容性而忽视界面机制的空白。原创性体现在系统关联了DED热循环（如冷却速率10³-10⁵ K/s）与界面位错组态的关系，为航空航天高温部件设计提供理论支撑。