一种微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法

本发明涉及一种微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，属于多金属材料激光粉末床熔融这一。

背景技术：

1、多材料增材制造（multi-materialad dative manu facturing，mmam）能够在同一构件中集成金属、陶瓷和聚合物，从而实现多种力学或功能性能的协同组合。当前，多种mmam技术路径不断发展，包括材料挤出、材料喷射、光固化、粘结剂喷射、定向能量沉积以及粉末床熔融等，为构建具有空间可调功能的异质结构提供了广泛选择。尽管这些技术不断进步，界面仍然是决定多材料结构最终性能的关键因素。界面不仅承担异种材料间的结构连接，实现可靠的结合和连接，还作为力学、热量与电荷传递的通道，直接影响构件的承载能力和能量传输行为。同时，界面也是应力调控区域，通过影响残余应力的分布方式，抑制裂纹的产生与扩展。此外，界面还是化学与功能作用的发生区，扩散、反应或相变等过程可能增强结合，也可能引入缺陷，从而影响耐腐蚀性、导热性或生物相容性。

2、正因界面具有结构连接、应力调控以及功能耦合等多重角色，使其成为mmam中最具潜力、同时也最易失效的关键部位。薄弱或不稳定的界面会抵消多材料设计带来的优势，而合理设计与调控的界面则可实现性能与功能的突破组合。因此，从航空发动机叶片、防护装甲到电子封装和生物植入物，其应用可靠性均根本上依赖界面结构的完整性。由此可见，深入理解和有效工程化界面机制，是推动mmam走向高可靠和高性能应用的核心所在。

3、在多材料激光粉末床熔融（multi-materiallaser powder bedfusion，mm-lpbf）中，界面设计始终是核心难题。实际加工复杂多材料构件时通常涉及两类界面：沿成形方向形成的垂直界面，以及位于同一层内、相邻材料之间的水平界面。当前多材料结构的连接主要包括三类模式：直接过渡、机械互锁以及梯度过渡。直接过渡工艺简单，但易产生应力集中，结合强度有限；引入中间层虽可缓解材料间物理和化学不匹配，却可能削弱原材料特有性能。机械互锁可提升承载能力和设计灵活性，但往往伴随几何复杂性和微缺陷风险。梯度过渡能有效缓解热力学失配、改善疲劳性能，但对材料分布的精确控制仍具挑战。

4、对于垂直界面，成分梯度仍是构建冶金结合的关键思路。常用方法包括：通过多供粉系统调节两种粉末的进料比例，实现线性或非线性的逐层过渡；采用分区换粉的方式形成“阶梯状”中间成分层，以降低设备复杂度；或通过多次重熔使下层材料逐步混入上层，从而获得一定程度的成分扩散。然而，这些方法均面临控制同步性要求高、局部性质不连续或梯度区域过窄等限制，影响界面强度和结构稳定性。

5、相比之下，水平界面的成分梯度实现更具挑战，因为必须在单层内精准控制粉末的空间分布。微喷嘴控制的mm-lpbf技术通过多个微喷嘴在同一粉层内按需沉积不同成分，实现材料在x、y、z三个方向的灵活布置，并能显著提高粉末利用率，减少交叉污染，从而具备较高的经济性与可持续性。另一类方法则利用特殊结构的供粉腔在铺粉前对粉末进行预混，使其在铺展后形成梯度，但往往存在粉末交叉污染严重、可回收性差等问题。总体来看，由于设备能力、工艺设计和研究范式的限制，水平界面的梯度连接研究明显不足。界面工程依然是mm-lpbf的主要技术瓶颈，也是充分释放多材料lpbf潜力的关键所在。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，其基于微喷嘴的速度调控，以在单层内原位构建连续粉末成分梯度，从而显著改善多材料构件的界面均匀性与综合性能，克服了现有mm-lpbf技术中层内水平界面成分突变、冶金结合质量差、易产生缺陷等不足。

2、为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

3、基于上述的技术目的，相对于现有技术，本发明具有如下的优势：

4、1.本发明所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，铺粉工序时，连续的粉末成分梯度导致激光熔化后形成连续的成分与组织过渡，有效缓解了因材料物理性质不匹配造成的热应力集中，抑制了裂纹、气孔等缺陷在界面的产生，提高了界面结合强度和致密性。

5、2. 本发明所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，通过微喷嘴移动速度这一简单、易控的工艺参数，直接在粉末沉积阶段编程控制材料分布，无需对粉末进行预先物理混合，避免了交叉污染，简化了工序，粉末利用率高（可超过90%）。

6、3.本发明所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，通过选择不同的铺设顺序循环模式（cvt1,cvt2,cvt3），可以主动调控最终构件中梯度界面的空间构型，从而优化其力学性能，如抗拉强度、屈服强度和疲劳性能，满足不同的工程应用需求。

7、4.本发明所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，原理清晰，对现有多喷嘴lpbf设备改造要求低，工艺可控性强，有利于实现高性能多材料构件的稳定、高效制备。

1.一种微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，其特征在于，当前沉积层的两个半粉层中，先沉积的半粉层记为半粉层a，后沉积的半粉层记为半粉层b；当前沉积层的铺粉操作具体包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，其特征在于，异质结构件的各沉积层中，半粉层a的铺粉材料不同时，配设有粉末床表面形貌前馈检测与非均匀间隙补偿策略，具体是：

4.根据权利要求2所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，其特征在于，异质结构件的各沉积层中，半粉层a的铺粉材料相同时，配设有基于多层累积厚度误差的跨层质量守恒反馈补偿策略，具体是：

5.根据权利要求3或4所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，其特征在于，第一、第二梯度子区域，均通过连续沉积至少两条相邻的粉末轨迹而形成。

6.根据权利要求5所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，其特征在于，沉积半粉层a时，微喷嘴在梯度过渡区的移动速度记为第一移动速度vai，i=1,2,...n；沉积半粉层b时，微喷嘴在梯度过渡区的移动速度记为第二移动速度vbi；第一移动速度vai以及第二移动速度vbi均在20mm/s至120mm/s范围内取值；第一移动速度va1、第二移动速度vb1均为各自微喷嘴能够达到的最低沉积速度。

7.根据权利要求6所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，其特征在于，所述第一材料为316l不锈钢粉末，所述第二材料为in718镍基高温合金粉末；两者的粉末粒径范围为15μm至53μm。

8.根据权利要求7所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，其特征在于，步骤s1中，复合粉末层的理论总厚度ht为100μm至120μm。

9.根据权利要求8所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，其特征在于，步骤s4中，设定层厚hs为45μm至55μm。

10.根据权利要求9所述的微喷嘴激光粉末床熔融多材料层内梯度界面构建方法，其特征在于，所述支撑粉末为与第一材料和/或第二材料化学性质相容的金属粉末、惰性粉末或沙粒。