上海
金属3D打印的微观结构控制一直是制约其走向关键应用的核心瓶颈之一。近期，美国西北大学工程学院Tao Sun教授团队在《自然·通讯》上发表的研究成果，为这一难题提供了新的解决思路。该研究通过实时X射线测量，揭示了液态金属中的原子结构如何影响凝固过程，从而为晶粒结构的预测与控制开辟了新的途径。
原位X射线配对分布函数测量揭示了激光增材制造中熔池的原子结构及有序化介导的凝固过程。
来源：Northwestern University
激光增材制造技术的优势在于能够快速生产复杂结构零件，但复杂合金的微观结构在打印过程中往往具有不确定性，这直接影响了零件的力学性能和服役可靠性，也限制了该技术在航空航天、医疗植入物和能源基础设施等关键领域的规模化应用
Sun教授团队的研究发现，在激光增材制造过程中，金属的凝固方式不仅取决于传统认知中的冷却速度和固液界面的温度梯度，液态金属本身的原子排列方式同样发挥着重要作用。这一发现挑战了该领域长期以来的基本假设。
利用高能X射线工具对打印过程进行实时观测，研究人员发现熔融金属中已经存在具有短程和中程有序结构的原子团簇。这些原子团簇并非简单生长为规则的大尺寸晶粒，而是通过重新排列形成孪晶原子结构，最终在成品金属中产生细小的晶粒和独特的内部晶界。这一发现有助于解释为何某些3D打印金属会意外形成均匀、高质量的微观组织。
Sun教授指出，理解金属在原子尺度上的凝固机制，使工程师能够设计出更轻、更坚韧、更耐用的零件，同时减少材料浪费、能源消耗、试错实验和代价高昂的失败。从更广的角度来看，这项研究表明前沿科学有望转化为制造业的实际改进。
该研究采用的"原位X射线配对分布函数测量"技术，能够在打印过程中直接观测熔池中的原子结构演变，将研究从传统的事后分析向前推进，为微观组织形成提供了更完整的图景。这种实时观测能力对于理解增材制造过程中的微观结构演化具有重要价值。
随着更多实验在不同合金和工艺条件下展开，研究团队的目标是建立一个系统性的数据库，将液态原子结构与最终材料性能联系起来。这一知识体系将支撑两个主要方向：改进包含液态原子结构的预测模型，以及在制造过程中实现实时监测与反馈控制，从而主动调控微观组织的形成。
Sun教授表示，如果这一目标得以实现，将能够可靠地制造出具有预设性能的零件，这标志着金属增材制造从经验驱动向科学驱动的关键转变。未来，研究团队计划通过调整合金成分和打印工艺参数，实现对金属从柱状晶到细等轴晶转变的精准控制，为增材制造零件的性能定制化提供技术基础。
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