面向航空航天、核能等极端工况对大尺寸功能梯度材料的迫切需求，北京科技大学李静媛教授主持的国家重大科研仪器研制项目“大尺寸功能梯度材料螺旋熔炼铸造装置”（52027805），创新性提出了螺旋熔炼与连续铸造耦合技术，开发了大尺寸功能梯度材料制备装置。

功能梯度材料可实现材料性能在空间内连续渐变，从而消除传统复合材料的界面应力集中，实现单一材料无法达成的多功能一体化与服役可靠性，如图1所列的树干、牙齿、竹子等。

图1 自然界中功能梯度材料

目前，国内外关于功能梯度材料的研究较多，然而针对大尺寸功能梯度材料制备装置鲜有报道。为了加速功能梯度材料的研发，同时助力大尺寸功能梯度材料制备装置的国产化，本研究团队设计开发了大尺寸功能梯度材料螺旋熔炼铸造装置，该装置主要由配料系统、熔炼系统、离心系统、PLC控制系统等组成，如图2所示。

图2 大尺寸功能梯度材料螺旋熔炼铸造装置及其主要系统部件

该装置的核心特点在于独特的“螺旋熔炼铸造”工艺，通过精密的螺旋搅拌装置在熔融合金中产生强制的可控对流，实现了材料从一端到另一端的成分与显微组织的连续、渐变过渡，如图3所示。

图3 大尺寸功能梯度材料螺旋熔炼铸造装置制备的梯度材料及其显微组织

另外，利用该装置能够一次性制备出无宏观界面、致密完整的大型梯度构件，如制造超高温梯度涡轮叶片，仿生植入体等，从而显著提升材料的可靠性与服役性能。

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