解耦增材制造“能量—熔池—应变—应力”，高自由度掌控残余应力与塑性应变新路径

通过金属增材制造实现机械场灵活定点调控，是制造技术与材料科学领域的难题。机械场调控的目标包括：降低残余应力以消除裂纹并缓解变形，以及调节位错结构以优化力学性能或促进原位再结晶。减轻变形对于制造薄壁或大型构件至关重要，而消除裂纹对于制造难焊合金则必不可少；调节位错结构有助于克服强度-塑性权衡，促进再结晶还能影响晶粒结构。然而，由于“输入能量、熔区与热影响区（HAZ）尺寸、塑性应变、残余应力”之间固有的正相关性，在保持最佳熔区尺寸（以满足建造质量和凝固组织优化）的前提下实现上述目标，极具挑战性。

针对这一难题，湖南大学整车先进设计制造技术全国重点实验室作为第一完成单位在Acta Materialia期刊发表了题为Mechanical field control in electron beam powder bed fusion: Dual effect of heat accumulation and melting strategies based on equivalent infinite cooling time interval的论文。

研究团队结合仿真预测与实验验证，提出基于“等效无限冷却时间间隔”概念的“Real-spot (RS) melting”策略，成功实现“残余应力与塑性应变”的高自由度解耦调控。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122125

湖南大学整车先进设计制造技术全国重点实验室揭示了这项研究的亮点：

• 虽然缩短能束路径长度或点熔等策略正被用于降低残余应力，但本研究揭示：它们在热累积显著的常规工艺条件下效果极为有限；相反，本研究提出“等效无限冷却”概念，基于此概念的RS策略可显著降低宏观残余应力。

• 在保持熔深（实验误差<8%）前提下，探索了多种熔凝策略：RS策略在显著降低宏观残余应力的同时，提升累积等效塑性应变（EPS）与非累积EPS，彻底打破“输入能量、熔池/HAZ尺寸、塑性应变、残余应力”的固有正相关性限制，实现了机械场解耦/高自由度调控。

• 揭示了“热积累的双重效应”机制：负效应扩大受影响区域vs. 正效应降低峰值水平，二者权衡决定最终机械场。

• 揭示了“RS策略驱动的本构行为”机制：通过重塑主塑性应变方向矢量、交替压缩/拉伸分量，彻底缓解熔区与HAZ的连续压缩塑性变形。

• RS策略不仅降低宏观残余应力、改善成形质量，还通过强化塑性应变，为“原位调控位错结构以实现金属材料强韧化”奠定了技术路径。

  
  

这套理论与方法架构，为增材制造实现“输入能量、熔池/HAZ尺寸、塑性应变、残余应力”的解耦调控，以及“残余应力与塑性应变”的高自由度掌控，提供了底层原理支撑与工艺设计指南。

湖南大学整车先进设计制造技术全国重点实验室为论文第一完成单位；雷雨超副教授为论文第一 /通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（青基）及重点研发计划青年科学家项目的资助。

以上来自于：湖南大学整车先进设计制造技术全国重点实验室

微观组织，为何成为3D打印金属的关键战场？

当我们谈论粉末床熔融（PBF）这种金属3D打印技术时，首先想到的往往是它能制造出传统工艺无法实现的轻量化复杂结构。但在材料科学家眼中，这项技术的真正革命性在于，它彻底重塑了金属的内部“世界”。

PBF工艺的本质是用一束高能束流在微米尺度上瞬间熔化金属粉末，又让它急速凝固。这个过程产生的温度梯度极其陡峭，冷却速度远超常规。在这种非平衡的物理冶金环境下，最终构件的微观组织。不仅包括凝固晶粒结构（比如是粗大的柱状晶，还是细小的等轴晶），更包括“隐藏”在晶格内部的残余应力与应变。它们共同决定了零件的性能与寿命。

晶粒结构奠定了强度和韧性的基础，而残余应力则是一把“双刃剑”。如果控制不当，它会让薄壁件变形、让难焊合金开裂，甚至会“绑架”位错运动和再结晶行为，让想要强韧兼备的合金，陷入“强度越高、韧性越差”的困境。因此，想要实现性能可设计、缺陷可控制，就必须将凝固结构与力学场作为一个整体来协同调控。

然而，目前的微观组织调控，很大程度上还是“被动”的。其中一个重要矛盾在于：残余应力通常随着输入能量的增加而攀升，但为了确保零件致密、成形质量过关，又很难随意降低能量。这就让协同控制成形质量、晶粒结构与力学场成了一个棘手的“不可能三角”。

业界并非没有尝试。在电子束粉末床熔融增材制造工艺中，工程师们会采用线序扫描或点序熔化策略，简单说就是不连续地熔化相邻区域，留出冷却时间，以此来降低应力积累。而在激光粉末床熔融增材制造工艺中，则常用条带或棋盘扫描，通过把长熔道打散成短片段，来管理热分布。但这些策略在实际应用中，冷却间隔往往十分有限，导致热积累依然存在，甚至在某些场景下，还得利用热积累去调控晶粒结构。这就让工艺设计变得非常纠结：想降应力，就要抑制热积累；想要特定晶粒，又要刺激热积累。两者似乎难以兼顾。

本研究的切入点，正是跳出这个纠结。研究人员提出了一个名为等效无限冷却时间间隔的新概念，并据此设计了两类熔化策略——分别基于“点熔”和“线熔”的基本模式。简单来说，就是通过巧妙安排束斑的熔化顺序，让每一个熔池在形成时，都仿佛拥有了无限长的冷却时间，彻底切断热积累的链条。

实验与模拟结果非常清晰：在保证熔池深度（即成形质量）不变的前提下，这种“无限冷却”的策略能显著降低残余应力。这意味着，不再需要在“降应力”和“控晶粒”之间做取舍，而是可以分别对两者进行独立设计。

这项研究的价值，不仅在于为电子束粉末床熔融提供了更优的工艺窗口，更在于它指明了一条通用路径：现有那些通过缩短熔道、跳点熔化的策略，都可以通过引入“等效无限冷却”的理念，进一步释放出降低应力的潜力。这是实现成形质量、晶粒结构与力学场三者协同调控的关键一步。

深入了解该研究可前往：

论文引用

Yuchao Lei, Yufan Zhao, Kenta Yamanaka, Yi Zhang, Xin Lin, Akihiko Chiba,Mechanical field control in electron beam powder bed fusion: Dual effect of heat accumulation and melting strategies based on equivalent infinite cooling time interval,Acta Materialia,Volume 309,2026,122125,ISSN 1359-6454,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122125.

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投稿 丨daisylinzhu 微信

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