3D打印最新Nature，我国原创突破！

10月21日，最新一期Nature再次更新3D打印研究成果。北京理工大学刘长猛、清华大学崔一南联合团队，共同发表题为“Additive manufacturing of ultralong and architected single crystals”的文章。

研究首创微熔池非稳态脉动生长的单晶增材制造新方法，打破传统依赖准稳态凝固的单晶生长模式，首次实现米级金属单晶增材制造，突破尺寸、结构、材料与成本四大瓶颈。

增材制造是先进制造领域国际竞争焦点方向。当前，我国增材制造产业已达到国际先进水平，但主流增材制造工艺方法多原创于欧美国家。

作为我国原创金属增材制造新方法，《Nature》同步配发News & Views评述，称该工作“为未来技术与科学发展创造了令人振奋的机遇”（creates exciting opportunities for future technological and scientific developments）。

研究背景

单晶材料是航空发动机与燃气轮机、先进核能装置、半导体等领域战略性基础材料。传统单晶制备主要依赖籽晶、模具和定向凝固，难以兼顾大尺寸、复杂构型、多材料适用性和低成本制造。

单晶增材制造，以微熔池为基本晶体生长单元，通过逐点熔化和定向凝固，突破了传统单晶的系列制造瓶颈，如“尺寸受限、形状受限、材料范围窄、成本高”，可以低成本实现米级、复杂构型、跨材料体系的单晶制造。

理论突破：强非平衡场下的无籽晶、无杂晶单晶稳定生长

增材制造过程的热变化向来不温和，温度梯度变化快、冷却速率高、热循环反复进行，单晶凝固理论通常采用的准稳态热场假设在这里难以适用，因此使得杂晶控制、晶体取向的稳定保持成为重要挑战。

研究团队就此提出了一种名为“深蹲脉冲”的热输入增材制造新方法，通过强弱交替的热输入调控熔池演化，在强非平衡条件下建立单晶生长的动态稳定性。

该方法无需预制单晶籽晶，可直接从多晶基板生长出高度达米级、直径达厘米级的单晶，展示了剧烈交变热条件下实现长程取向保持的可行性，拓展了单晶稳定生长的理论边界。

构型突破：实现无模具、无支撑悬空单晶结构制造

制造复杂单晶结构不仅要保持晶体取向，还必须防止悬空熔池失稳。

研究团队耦合单晶凝固与悬空熔池力学稳定性，建立了力-凝固耦合理论模型及可打印相图，确定了兼顾外延生长与结构稳定的工艺策略。

这一方法首次实现了无需模具、无需额外支撑的复杂单晶结构制造，包括由曲折单晶杆件组成的点阵。

单晶由此从受模具约束的实体构件，拓展为几何构型可设计的空间结构，为材料性能与结构功能的一体化设计提供了新可能。

性能突破：超越晶粒尺寸效应的抗蠕变性能提升

研究团队以航空航天常用的Ti-6Al-4V钛合金为模型材料，展示了增材制造单晶的极致性能。

所制备的钛合金单晶抗蠕变性能，相比锻件及其他增材制造方法制备的多晶有量级式的提升，而且改善幅度明显超出常规晶粒尺寸标度律的预测。

多层级组织表征与晶体塑性建模显示，晶界消除与内部α/β相组织协同作用，改变了位错运动和孔洞形成动力学。

有意思的是，研究发现即使在位错主导的蠕变条件下，晶界仍然会对对宏观性能产生重要影响，这为优化单晶合金的高温服役能力提供了新的机制认知。

应用拓展：跨越材料体系，降低制造门槛

该方法具有很强的普适性，研究团队还成功制造了钨、钼、铌及钼铌合金单晶，展示了该方法对多种难加工难熔金属的适用性，为深空核动力等领域所需单晶构件的研制提供了制造基础。

该技术基于丝材电弧制造平台，减少了对专用模具和复杂精密控温装备的依赖；相较粉末增材制造，丝材原料也具有成本优势，为扩大制造规模、降低单晶应用门槛提供了条件。

审稿人将这项工作评价为“工业制造领域的重要里程碑”（a significant industrial milestone）。

研究工作得到了国家自然科学基金（52522506，12222205）、国家重点研发计划（2022YFB4601900）、清华大学笃实计划的资助。

作者介绍

刘长猛，北京理工大学机械与车辆学院教授/博士生导师，智能检测与增材制造研究所所长。长期开展增材制造微熔池冶金学、智能增材制造装备与机器人、深远海装备增材制造等研究。主持了国家重点研发计划项目（首席科学家）、国家自然科学基金青年科学基金项目（B类）/叶企孙基金、国防基础科研重点项目等10 余项。以第一/通讯作者在Nature、Additive Manufacturing等期刊发表SCI 论文60余篇。第一发明人授权国家发明专利21 项。成果应用于船舶、兵器、航天、航空、建筑等领域。研究成果得到人民日报、新华社、中央电视台等报道。担任国家中长期发展规划（2021-2035 年）“增材制造与激光制造”领域规划青年专家、中国机电一体化协会理事等。

崔一南，清华大学航天航空学院长聘副教授。面向先进能源与动力装备性能评价与创新设计的迫切需求与学科前沿，开展强辐照、强冲击极端环境力学理论、计算及设计制造方法研究，以第一/通讯作者在Nature，PRL，JMPS等发表论文60余篇，合作出版英文专著2本、中文教材2本。主持国家自然科学基金青年科学基金项目（B类）、联合基金重点项目、重点研发计划课题等，获国际多尺度计算杰出青年学者奖，国际塑性力学杰出青年学者奖，中国力学学会青年科技奖等。担任塑性力学顶级期刊International Journal of Plasticity副主编, 固体力学旗舰期刊JMPS的Technical Advisory Panel，Journal of Materials Science: Materials Theory 副主编，国际学术组织International Society of Materials Modeling理事，抗辐照应用技术创新中心理事，冲击波物理与炮轰物理国家重点实验室学术委员会委员等。

北京理工大学跨尺度增材制造团队介绍

依托北京理工大学机械工程一级国家重点学科，刘长猛牵头组建了跨尺度增材制造团队。团队以增材制造微熔池为基础研究单元，开展微熔池智能体、微熔池群控与群智、智能增材制造装备与机器人等装备跨尺度研究，以及米级单晶、十米级钛合金、百米级点阵结构、千米级海洋浮式平台等结构跨尺度研究。研究成果对推动深远海装备制造变革、开拓深远海基建具有重要战略意义，近年来得到人民日报、新华社、央视等主流媒体的关注。

2024年3月：研究成果入选京津冀协同发展十周年成果

2025年1月：研制出国内最大20米级40弧并行金属3D打印机

注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。