哈工程科研团队发明多材料3D打印“无混粉”新钥匙！

| 3DScienceValley · 2026/04/04

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把两种性能完全不同的金属无缝融合到同一个零件里，会碰撞出怎样的火花？比如一半用耐腐蚀性强的不锈钢，一半用耐高温的镍合金，这样造出来的航空发动机零件，既能扛住燃料的腐蚀，又能承受上千度的高温，简直是工业界的“超级英雄”。

近日，哈尔滨工程大学烟台研究院报道了一则研究成果，由该院杨守峰教授团队的在读博士生李琳以第一作者，在机械工程领域顶级期刊《国际机床与制造杂志》（International Journal of Machine Tools and Manufacture）上发表了题为“基于无级变速传动（CVT）启发的层内粉末沉积梯度策略实现微喷嘴控制激光粉末床熔化中异质界面的均匀化”（Achieving heterogeneous interface uniformity in micronozzle-controlled laser powder bed fusion via Continuously Variable Transmission-inspired in-layer gradients of powder deposition）的研究论文。

该文章提出了一种层内粉末沉积梯度调控策略，成功实现了多材料激光粉末床熔融（LPBF）中异质界面的连续均匀过渡，为高性能多材料增材制造提供了新范式。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2026.104384

从汽车变速箱里借来的“金点子”

我们平时说的3D打印金属零件，大多是用同一种金属粉末一层层“堆”出来的，两种金属材料合在一起会产生“异质界面过渡难题”。传统的方法要么是提前把两种粉末混在一起，要么是两种粉末各占半边直接拼起来。前者没法精准均匀控制两种金属含量；后者中间的接缝处很容易裂开，而且性能会突然“跳崖”，受力的时候特别容易断。

图1 受CVT启发的粉末沉积策略示意图，该策略用于在多材料LPBF中制备光滑连续的水平梯度界面。该概念通过对接两种不同材料的互补厚度梯度，实现了单层粉末内的成分过渡，与传统界面设计相比，能够实现不同材料之间更光滑、更连续的过渡。

团队研究的灵感，来自汽车里的无级变速器（CVT）。开过CVT变速箱汽车的人都知道，这种变速箱换挡的时候特别平顺，不会像传统变速箱那样有顿挫感，因为它的传动比是连续变化的，而不是一跳一跳的。

“既然变速箱能实现动力的连续过渡，我们为啥不能让金属粉末也实现连续过渡呢？”论文第一完成人、哈工程在读博士生李琳顺着这个思路想，发明了一种“CVT型界面”设计策略，操作起来原理特别巧妙：

可以把打印用的粉末层想象成一块双拼蛋糕，左边铺316L不锈钢粉末，右边铺IN718镍基高温合金粉末。左边不锈钢铺得厚，越往右越薄；右边镍合金铺得厚，越往左越薄，两种粉末的厚度刚好形成互补的斜坡，严丝合缝地拼在一起。

这样打印出来的零件，成分是从不锈钢慢慢过渡到镍合金的，没有生硬的分界线。而且整个过程不需要提前把粉末混在一起，完美避开了混粉不均匀的问题，粉末利用率还能达到90%以上，既环保又省钱。

打印结果怎么样？

为了验证这个方法好不好用，团队做了大量的实验，结果比预期的还要好：

性能过渡丝滑不“卡顿”

从不锈钢侧到镍合金侧，强度是慢慢升高的，就像坐扶梯上楼一样平稳，不会像以前那样突然“跳级”，大大降低了因为应力集中导致零件断裂的风险。

微观组织更均匀

当把不锈钢粉末铺在镍合金粉末上面时，冷却速度特别快，能让金属晶粒变得更细更均匀，就像揉面揉得越匀，蒸出来的馒头越筋道一样，零件的整体性能也更好。

界面强度大幅提升

经过测试，用这种方法做出来的零件，界面的抗剪切能力比传统方法高很多，就算受到很大的外力，也不容易从两种材料的接缝处断开。

研究团队表示，这个方法不仅能用在激光粉末床熔融这种3D打印技术上，还能推广到其他多种多材料3D打印工艺里，未来甚至可以实现陶瓷和金属、高熵合金等更多种材料的无缝融合。

图2 三种结构CVT界面的显微硬度分布曲线

有什么应用场景？

这项技术适应多种应用场景：

航空航天领域

可以用来制造航空发动机的叶片、火箭的燃烧室等关键零件，一半耐高温，一半抗腐蚀，重量还能减轻不少，能让飞机飞得更远、火箭运得更多。

核工业领域

核反应堆里的零件需要同时扛住辐射、高温和腐蚀，用这种方法做出来的零件，使用寿命能延长好几倍。

医疗领域

可以用来制造个性化的人体植入物，比如接骨用的钢板，一半用和骨头弹性接近的材料，一半用高强度材料，既能和人体更好地兼容，又能保证足够的强度。

图3 三维多材料编制结构，实现多材料新结构的创意设计和制造，赋予新功能、高性能

深入了解该研究请前往：
论文引用

Lin Li, Qimin Shi, Mingjie Xin, Zhongyi Zhang, Han Yu, Shoufeng Yang,Achieving heterogeneous interface uniformity in micronozzle-controlled laser powder bed fusion via continuously variable transmission-inspired in-layer gradients of powder deposition,International Journal of Machine Tools and Manufacture,Volume 217,2026,104384,ISSN 0890-6955,https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2026.104384.

本文来源：哈尔滨工程大学烟台研究院

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