在功能梯度金屬材料（FGMMs）增材制造（AM）的研究中，功能涂料的集成與應用正成為一個日益重要的前沿方向。本部分綜述聚焦于功能涂料如何與FGMMs的增材制造工藝相結合，以賦予材料表面或界面特定的物理、化學或生物功能，從而拓展其在極端環境、生物醫療、能源轉換等領域的應用潛力。

一、 功能涂料在FGMMs增材制造中的角色

功能涂料通常指涂覆于基材表面，能提供如耐磨、耐腐蝕、隔熱、導電、生物相容、催化等特定功能的薄層材料。在FGMMs的增材制造框架下，功能涂料的集成方式主要有兩種：

1. 后處理涂覆：在FGMMs構件通過激光粉末床熔融（LPBF）、定向能量沉積（DED）等工藝成形后，采用熱噴涂、冷噴涂、物理或化學氣相沉積、溶膠-凝膠法等技術在其表面施加功能涂層。這種方式工藝相對獨立，涂層材料選擇廣泛。
2. 原位/同步制造：在增材制造過程中，通過多材料送粉/送絲、在熔池中引入反應元素或納米顆粒、或利用激光誘導表面改性等技術，在構件特定區域直接生成具有功能性的表面層或過渡層。這種方式能實現涂層與基體更好的冶金結合與成分梯度過渡。

二、 關鍵實驗研究進展

研究人員通過實驗探索了多種功能涂料與FGMMs增材制造的結合：

• 耐磨與耐蝕涂層：在鈦合金、鎳基高溫合金等FGMMs表面，通過激光熔覆或冷噴涂同步集成WC-Co、Cr3C2-NiCr等金屬陶瓷涂層，顯著提升了部件在高溫、磨損或腐蝕環境下的服役壽命。研究表明，控制工藝參數以管理熱輸入和殘余應力，是避免涂層開裂、保證結合強度的關鍵。
• 熱障涂層（TBCs）：對于航空發動機等熱端部件，在具有內部冷卻通道的鎳基超合金FGMMs基體上，制備YSZ（氧化釔穩定氧化鋯）等陶瓷熱障涂層是研究熱點。實驗關注于通過AM制備具有粗糙度的粘結層，以增強陶瓷層的粘附力，并利用FGMMs基體本身的熱物理梯度來匹配涂層與基體的熱膨脹系數，減少熱循環下的剝落風險。
• 生物功能涂層：在具有孔隙梯度結構的鈦合金骨科植入物表面，通過AM后處理集成羥基磷灰石（HA）或含生物活性元素的陶瓷涂層，以促進骨整合。研究側重于涂層成分、形貌對細胞響應的影響，以及涂層與多孔FGMMs基體結合的牢固性。
• 催化與能源涂層：在具有高比表面積的金屬FGMMs（如多孔結構）上，負載催化劑涂層（如用于水分解的過渡金屬磷化物/硫化物），制造一體化的催化電極或反應器。實驗探索了利用AM的精確成形能力，直接制造具有微通道和催化涂層的復雜反應單元。

三、 數值模擬的支撐作用

數值研究在優化功能涂料與FGMMs的集成制造中發揮著不可或缺的作用：

• 工藝過程模擬：計算流體動力學（CFD）和有限元分析（FEA）被用于模擬熱噴涂或激光熔覆過程中粉末/熔滴的飛行、沖擊、鋪展與凝固，以及基體（FGMMs）的熱循環和應力演化。這有助于預測涂層形貌、孔隙率、殘余應力及結合界面狀態，指導工藝參數優化。
• 涂層性能預測：基于微觀結構的多尺度建模，可以關聯涂層工藝-微觀結構-性能關系。例如，模擬預測熱障涂層在熱-力-化學耦合載荷下的裂紋萌生與擴展行為，或模擬生物涂層在體液環境下的降解動力學與離子釋放過程。
• 界面設計與優化：對于FGMMs基體與功能涂層的界面，數值模型可以用于設計最優的成分梯度或結構梯度，以平緩熱應力、改善力學匹配、增強界面韌性。相場法等先進模擬方法可用于研究界面反應層的生長動力學。

四、 挑戰與未來展望

盡管前景廣闊，該領域仍面臨諸多挑戰：

1. 界面科學與結合強度：如何確保異質材料（尤其是金屬/陶瓷）界面在復雜載荷下的長期可靠結合，是核心難題。需要更深入的界面反應、擴散與失效機理研究。
2. 多工藝協同與精度控制：將AM與涂層制備工藝無縫集成，實現復雜構件表面/內腔的均勻、精確涂覆，對設備與在線監控提出了高要求。
3. 多功能與自適應涂層：未來趨勢是開發能響應環境（如溫度、pH值）變化的自適應智能涂層，并與FGMMs的本體梯度功能協同，實現材料系統的性能最優化。
4. 標準化與壽命預測：缺乏針對“AM FGMMs+功能涂層”這一復合制造體系的性能評價標準與壽命預測模型，需建立從實驗室到工程應用的橋梁。

功能涂料的集成是釋放功能梯度金屬材料增材制造潛力的關鍵一環。通過實驗探索與數值模擬的深度融合，有望實現從材料設計、制造工藝到終端性能的全鏈條精準調控，為高端裝備制造提供革命性的解決方案。