洞察

“ 超材料是一种工程材料，具有独特的属性和先进的功能，这是其微结构组成带来的直接结果。虽然最初的特性和功能仅限于光学与电磁学，但在过去十年中出现了许多新型超材料，它们在许多不同的研究和实践领域都有应用，包括声学、力学、生物材料和热工等。过去十年，旨在设计、模拟、制造和表征不同类型的超材料的研究在广度和深度上都出现了爆炸性增长。这种前所未有的增长主要发生在三大发展的交汇处，这些发展相互加强，并促进了超材料的研究。”

 内容快览

• 解决的问题：突破轻质晶格超材料在断裂韧性研究中忽视支柱屈曲失稳增韧作用的局限，探索支柱屈曲对晶格超材料断裂韧性的影响，解决轻质与韧性难以兼顾的问题。
• 提出的方法：通过增材制造、数值模拟和理论分析相结合，基于 J 积分的断裂力学框架，研究支柱屈曲失稳对晶格超材料断裂韧性的影响。
• 实现的效果：发现特定断裂能与相对密度的反常幂律缩放关系，在极低相对密度下实现异常增韧，验证了增韧机制的普遍性，并提出非均匀晶格设计增强断裂能。
• 创新点：揭示支柱屈曲诱导裂纹尖端钝化导致的反常密度缩放增韧规律，突破传统认知，为轻质高韧性晶格超材料设计提供新思路。
• 研究成果以题为 “Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials” 发表于《Advanced Materials》上。中国科学技术大学Zewen Wang 为论文第一作者，Kaijin Wu、Zhaoqiang Song 和 Yong Ni 为论文共同通讯作者。

 内容简介

• 摘要：轻质晶格超材料因其优异且可调节的机械性能备受关注，然而，其实际应用最终受到对不可避免制造缺陷耐受性的限制。传统晶格超材料的断裂力学局限于裂纹尖端支柱的局部拉伸失效，忽视了裂纹前沿周围离散支柱屈曲失稳的增韧作用。在此，通过增材制造、数值模拟和理论分析相结合，本研究确定了特定断裂能与相对密度的反常幂律缩放关系，在临界相对密度以下，缩放指数变为负值。这种反常增韧规律源于极低密度下非局部支柱屈曲转变引发的裂纹尖端钝化，在不同长度尺度、裂纹取向、节点连接性和组件属性的各种晶格超材料中普遍存在。通过合理利用支柱屈曲机制，可在极低相对密度下实现极高的特定断裂韧性，从而填补材料性能设计空间的空白。这些发现不仅为离散晶格断裂提供了物理见解，还为超轻、超韧晶格超材料提供了设计思路。
• 结论：采用基于 J 积分的断裂力学框架，有效捕捉了支柱屈曲对晶格超材料断裂能的影响。全面的理论、数值和实验结果表明，与无屈曲情况相比，支柱屈曲引起的裂纹尖端钝化促进了更均匀的应力分布，从而显著提高了特定断裂能。具体而言，我们发现了特定断裂韧性与相对密度的反常缩放规律，在临界密度以下，缩放指数变为负值。通过对不同长度尺度、裂纹取向、节点连接性和组件属性的各种晶格超材料的分析，我们发现支柱屈曲引发的裂纹尖端钝化在晶格超材料中普遍存在。此外，利用这种增韧机制，可在极低相对密度下实现晶格超材料的超高断裂韧性。未来研究可探索晶格结构固有的其他变形机制，如支柱扭转或手性结构，对断裂韧性的影响，以及多相晶格超材料产生的新机制。这项工作的发现有望推动轻质、高抗断裂材料的发展，应用于航空航天、汽车、体育和可穿戴设备等行业。

图1：离散晶格超材料中支柱屈曲转变增韧。

图2： 晶格超材料中特定断裂能的反常缩放规律。

图3：支柱屈曲转变对断裂能和临界相对密度的影响。

图4： 晶格超材料中支柱屈曲引发的裂纹钝化分析。

图5. 晶格超材料中支柱屈曲增韧机制的普遍性。

图6. 通过调控支柱屈曲实现超轻晶格超材料的增韧设计。

文章信息：

Z. Wang, K. Wu, J. Ding, J. Jin, Y. Zhou, M. Li, Y. Yao, L. He, Z. Song, Y. Ni, Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials. Adv. Mater. 2025, 2419635.

https://doi.org/10.1002/adma.202419635

来源
超材料前沿 l

中国科学技术大学Advanced Materials | 晶格超材料增韧设计新策略

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入 QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源

洞察

“ 纳米尺度3D打印技术采用“自下而上”的制造方法，通过精确操控材料的定向沉积，突破了传统工艺的局限，展现出广泛的应用潜力，尤其是在下一代微纳器件的原型设计和多功能结构构建中。”

上海科技大学冯继成课题组邀请综述“Nanoscale 3D printing for empowering future nanodevices”在《Advanced Material Technology》上发表，该工作概览了从3D纳米打印到原子制造的相关基础原理和挑战，讨论了3D纳米打印如何与光刻主导的微纳制造进行对接，甚至取代基于光刻加工策略的主导地位，并从微电子和微纳光学器件的应用举例进行了探讨。此外，本工作也进一步展望了如何将AI并入3D纳米打印和原子制造，为新时代的3D纳米制造技术发展提供了新思路。除学术层面外，本工作还剖析了工业化应用过程中的技术瓶颈，为推动这一领域的发展提供了重要指引。

纳米尺度3D打印技术采用了一种“自下而上”的制造方法，与传统的“自上而下”的光刻技术截然相反。这种创新技术通过精确操控材料的定向沉积，突破了传统工艺在分辨率、材料多样性和空间几何复杂度上的局限，展现出广泛的应用潜力，尤其是在下一代微纳器件的原型设计和多功能结构构建中。作为当前研究热点，3D纳米打印技术已取得诸多突破性进展，但大多数技术仍面临产业化应用瓶颈，其增材制造路径尚未对传统纳米制造领域产生显著影响。在此背景下，作者从技术原理、规模化潜力及未来发展方向等角度，对这一领域进行了全面剖析。

图1现有3D 纳米打印技术概述。实体喷嘴包括：直接墨水书写、电动流体动力喷射打印、弯月面控制直写、原子力显微镜和扫描隧道显微镜。虚拟喷嘴包括：聚焦离子/电子束诱导沉积、双光子聚合、磁场诱导的纳米颗粒组装和法拉第3D打印。

本综述中，作者首先对3D纳米打印技术做了详细的探究，并创新性的以对材料在纳米尺度进行限制的原理将微尺度3D打印方法划分为两大“门派”：实体和虚拟喷嘴（图1）。其中，最早出现使用实体喷嘴的方法是墨水书写（DIW），其后续更新和发展，催生了电流体喷射的EHD以及基于弯液面流体控制的直写方法。而基于虚拟喷嘴的方法无需任何物理接触，通过电场、磁场或激光等远程力来诱导材料的定向沉积，摆脱了物理喷嘴造成的空域限制，具有更高精度和灵活性。

此外，作者重点探讨了3D纳米打印技术与当前以光刻为主导的微纳制造体系的融合潜力，甚至在未来实现替代的可能性。通过对比分析不同技术的规模化可行性、多材料兼容性、原子精度等关键指标，作者评估了各类方法的产业化潜力，并结合微电子和微纳光学器件的实际应用案例进行了深入讨论。然而，作者也强调了纳米级3D打印目前尚存的诸多挑战，包括难以达到高分辨率的规模化生产、材料纯度控制以及后续加工成本高昂等问题。为应对这些挑战，文中提出了通过人工智能优化打印流程、开发新型材料及混合制造策略等方法，进一步释放纳米级3D打印的潜力。

文章总结了纳米级3D打印技术的长期潜力，并展望了它在学术界和工业界可能产生的深远影响。通过不断优化材料选择和制造工艺，这项技术有望成为第四次工业革命的重要驱动力，改变医疗、能源和电子领域的微纳器件的设计方式。

论文标题：Nanoscale 3D printing for empowering future nanodevices

DOI: 10.1002/admt.202500083
更多信息可访问课题组网页：http://www.jcfenglab.com/

来源
材料科学与工程 l

上科大冯继成课题组邀请综述：从3D纳米打印到原子制造

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入 QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源

洞察

“ 机械超材料是经过拓扑工程设计的三维结构，通常通过增材制造工艺生产，已成为一种优于传统随机泡沫或气凝胶的优质轻质和增韧策略。特别是金属晶格因其能够将金属/合金增韧机制与坚硬且高强度的结构相结合，实现低密度、高强度和能量耗散的出色组合而备受关注。”

轻质多孔材料因其能够有效耗散冲击能量，在防护系统中数个世纪以来都发挥着不可或缺的作用，但其随机性限制了力学性能的可调节性，为其能量耗散能力设定了上限。

增材制造（通常称为三维（3D）打印）的出现，一方面为制造具有复杂几何形状和独特微观结构的零件提供了前所未有的自由度，另一方面具有直接可用性，使得制造几乎无需后处理的即用型零件成为可能，这与传统制造需要通过铸造或机械加工来成型有所不同。因此，机械超材料（本质上是经过拓扑工程设计的三维结构，通常通过增材制造工艺生产）已成为一种优于传统随机泡沫或气凝胶的优质轻质和增韧策略。

特别是，金属晶格因其能够将金属/合金增韧机制与坚硬且高强度的结构相结合，实现低密度、高强度和能量耗散的出色组合而备受关注。然而，现有的关于机械超材料的研究主要集中在表征具有少量镶嵌结构的准静态特性上，这限制了这些材料系统的充分应用。

【成果速览】

机械超材料能够利用轻质结构设计原理和独特的变形机制，实现卓越的性能。然而，目前的研究主要集中在其准静态特性上，对于其在极端动态条件下的行为，尤其是在与实际应用相关的长度尺度下的行为，在很大程度上仍未得到充分探索。

在此，香港城市大学陆洋教授、香港中文大学宋旭教授带领团队提出一种新策略，通过自主研发的高分辨率选择性激光熔化（HR-SLM）系统，将基于壳结构与增材制造的具有低层错能的中熵合金（MEA）相结合，在宏观尺度上实现极致的冲击缓解效果。

值得注意的是，与基于桁架的形态相比，基于壳结构放大了超材料内的有效动态应力，从而促使合金中多尺度增韧机制更早地被激活。中熵合金的低层错能使其能够演化出多种类型的缺陷，从而在应变率上跨越七个数量级的范围内延长应变硬化行为。这些基本见解可以为开发适用于结构和国防应用的可扩展、轻质、抗冲击的超材料奠定基础。

相关成果以「Exploiting multiscale dynamic toughening in multicomponent alloy metamaterials for extreme impact mitigation」为题刊登在Science Advances上。

【数据概况】

图1. HR-SLM MEA微晶格在不同应变率下的制备与多尺度表征。
图2. HR-SLM MEA微晶格的准静态力学表征。
图3. 动态测试以及架构诱导的动态增韧。
图4. 不同应变率下CoCrNi MEA微晶格的分层变形机制。
图5. HR-SLM MEA微晶格与现有微结构超材料以及金属/合金的准静态和动态性能对比。

【结论展望】
总之，研究人员通过定制的HR-SLM系统，制备出三维CoCrNi MEA微晶格，其在准静态和动态状态下（涵盖了七个数量级的应变率范围）都展现出了超高的能量耗散能力。结构特征之间的协同作用，尤其是基于壳状的结构相较于基于桁架的结构所具有的优势，以及源自中熵合金成分和高分辨率选择性激光熔化工艺的本征增韧机制，使得其比已报道的微晶格和金属材料具有更高的比能量耗散能力。

具体而言，研究人员确定了三个主要的设计参数，这些参数有助于相关领域在金属超材料中实现弹丸冲击下的高能量耗散：(i)在大应变压实阶段，最大化自接触和塑性耗散；(ii)优化惯性响应，以放大超材料内的动态应力，并增强与应变率相关的材料性能；(iii)最小化层错能，从而实现多尺度变形机制的持续演化，该机制与高分辨率选择性激光熔化所诱导的高密度位错胞相互作用，进而耗散能量，并在多个应变率下延长应变硬化行为。

总体而言，该研究不仅为在宏观尺度样本下实现超高的动态能量耗散性能提供了一条途径，还为理解金属超材料中结构诱导、（制造）工艺诱导以及材料诱导的变形机制之间的复杂关系奠定了基础。这些知识为超材料的逆向设计开辟了道路，特别是在为国防、航空航天和汽车领域的轻质防撞应用量身定制动态响应方面。

原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt0589

来源
材料设计 l

Sci. Adv.丨港城大/港中文：壳结构中熵合金超材料攻克极端冲击难题，跨七量级应变率实现能耗新极限

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入 QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源

洞察

冷弧工艺能够有效降低熔滴过渡过程中的能量峰值，减少飞溅现象，提高成形质量。同时，通过精确控制热循环，可以实现镁合金的细晶组织，能够有效控制镁合金的晶粒尺寸和相分布，从而提高材料的强度和塑性。该技术在航空航天、汽车和医疗器械等领域具有广阔的应用前景。例如，在航空航天领域，冷弧工艺可用于制造轻量化且高性能的镁合金结构件，有助于提高燃油效率和降低运营成本。”

 引用格式

Bai-hao CAI, Ji-kang FAN, Jie LI, Dong-qing YANG, Yong PENG, Ke-hong WANG. Processing, microstructure, and mechanical properties of wire arc additive manufactured AZ91 magnesium alloy using cold arc process [J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2025, 35 (01): 91-104.

 研究背景

镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料，具有比强度高、密度小、电磁屏蔽性能优越等优点。它在航空航天、汽车和医疗器械等领域有着巨大的应用潜力。然而，高性能镁合金复杂结构件的成形制造仍然是当前研究的重难点。本文采用基于冷弧工艺的电弧增材制造技术（CA-WAAM）成功制造了具有细小等轴晶粒的AZ91镁合金薄壁构件，研究了增材过程中的液滴过渡行为、沉积件的显微组织和力学性能，对大型镁合金复杂零部件的电弧增材具有重要的参考价值。

 文章亮点

采用冷弧工艺制备了强塑性协同提升的AZ91镁合金薄壁构件，阐明了冷弧模式对AZ91镁合金熔滴过渡行为的影响规律，揭示了冷弧增材过程中复杂热循环对显微组织及力学性能的影响机制。

 图文解析

AZ91薄壁试样的制备通过冷弧增材制造（CA-WAAM）系统完成，系统配置如图1所示。采用单向行进策略，焊丝随焊枪移动逐层熔覆于已沉积层表面。为获得良好成形质量，焊接过程中采用摆动电弧策略，摆动长度和摆动宽度分别设定为10 mm和5 mm。冷弧模式下通过精确调控电流电压实现稳定熔滴过渡：在短路后引弧瞬间急剧降低电流以确保液桥平滑断裂；随后小幅提升电流促进焊丝快速熔化形成熔滴；继而缓慢降低并维持低电流水平以控制熔滴尺寸，此时电弧处于稳定燃烧阶段直至熔滴与熔池接触；当熔滴接触熔池时电流急剧增大以产生收缩效应；引弧完成后通过动态控制方式逐步降低峰值电流。熔滴的平稳过渡是保证构件良好成形质量与性能的关键因素。本研究采用Phantom® VEO VWO410L型高速摄像机（帧率4000 fps）对熔滴过渡行为进行观测记录，同时配置640 nm波长滤光片及背景激光系统以增强图像对比度。

图1 AZ91 镁合金薄壁成分的 CA-WAAM 工艺示意图

图2展示了冷弧（CA）模式单周期内的熔滴过渡过程。典型的冷弧增材制造（CA-WAAM）的熔滴过渡周期平均为31 ms，包含燃弧、短路过渡及电弧重燃三个阶段。在t0时刻，随着电流急剧降低，电弧在焊丝与熔池间平稳重燃。随后，电弧持续燃烧并熔化焊丝，在焊丝端部形成熔滴。得益于较低的热输入，熔滴呈现相对规则的球形形貌。电弧重燃后，在脉冲电流峰值阶段产生的强电弧力作用下，熔池发生剧烈波动导致失稳，熔池表面产生部分飞溅的现象。燃弧阶段的电流维持在较低水平，熔滴沿焊丝轴向持续生长。随着焊丝送进，熔滴与熔池间距逐渐缩短，同时在重力、电磁力及表面张力协同作用下，熔滴沿轴向被拉伸。这一动力学过程不仅促进了熔滴与熔池接触以进入短路过渡阶段，同时有效缩短了燃弧时间并减小了熔滴尺寸。由于镁合金高蒸发压与低密度的特性，在电弧高温作用下，熔滴及熔池表面产生大量金属蒸汽。蒸发反冲力推动熔滴偏离焊丝轴线，形成典型的排斥过渡模式。该现象在镁合金纯MIG增材制造过程中极为普遍，严重劣化成形件质量。

图2 冷弧模式下AZ91镁合金熔滴过渡行为

图3展示了基于热力学软件JMatPro计算的AZ91镁合金（Mg-9.5Al-0.5Zn-0.3Mn）平衡相图与Scheil-Gulliver凝固路径，系统阐释了其形成机制。当熔池温度降至627°C时，液相中首先析出Al8Mn5相；随后在600°C析出初生α-Mg相。随着温度降低，Al8Mn5相于540°C转变为Al11Mn4相，后者在407°C进一步转化为Al4Mn相。在缓慢冷却条件下，Al元素在α-Mg固溶体中扩散迁移，最终于372°C从过饱和α-Mg相中析出Mg17Al12相。然而，镁合金CA-WAAM过程中液态金属冷却属于典型非平衡凝固过程。由于沉积件中Mn元素含量仅为0.3%（质量分数），且非平衡态下高冷却速率导致Al8Mn5相未能充分从液相析出，致使该相含量极低。因此，CA-WAAM技术制备的AZ91镁合金构件非平衡显微组织由α-Mg相、Mg17Al12相及可忽略的Al-Mn析出相组成。

图3 (a) AZ91镁合金的平衡相图，(b)基于Scheil-Gulliver模型计算的凝固路径

图4展示了冷弧增材制造（CA-WAAM）工艺制备的AZ91镁合金薄壁纵截面（XOZ平面）不同区域的显微组织特征。试样各区域均由等轴晶粒构成，由于逐层制造过程中的多重热循环作用，显微组织呈现粗晶区与细晶区交替分布的层状结构特征。在后续层沉积过程中，前沉积层顶部组织受热源作用发生重熔，熔池边界在凝固阶段直接与前沉积层或基板接触，此时较大的过冷度与接触面异质形核效应显著提高了细等轴晶形成倾向。然而，靠近熔合线的前沉积层组织被二次加热至高温，合金元素在基体中扩散迁移，导致晶粒粗化现象。如图4(a-c)所示，试样中部区域粗、细晶区平均晶粒尺寸分别为40.8 μm和22.1 μm，均大于试样底部与上部区域。主要原因在于：靠近基板的底部区域具备更优散热条件，而上部区域经历热循环次数较少。通过Nano Measurer软件计算中间区熔合线附近晶粒尺寸，最大与最小晶粒尺寸分别为48.7 μm和6.95 μm。事实上，细晶组织不仅能缩短位错滑移距离使变形更加弥散均匀，还可激活镁合金非基面滑移系并诱发晶界滑移，从而显著提升镁合金塑性变形能力。

图4. CA-WAAM工艺制备的AZ91镁合金薄壁纵截面（XOZ平面）不同区域的显微组织特征

图5为AZ91镁合金沉积薄壁不同区域的扫描电镜（SEM）图像及能谱（EDS）分析结果。显微组织主要由初生α-Mg基体、过饱和共晶α-Mg固溶体、β-Mg17Al12相及少量η-Al8Mn5相组成。EDS分析表明，深灰色α-Mg基体中Mg/Al原子比为94.1/5.9，而共晶相中该比值约为60.7/39.3，显示共晶相Al元素富集特征。在凝固过程中，溶质Al在液相向初生α-Mg转变时未充分扩散，富集于未凝固液相中。后续共晶反应中，初生α-Mg被析出的β相包裹，最终形成沿晶界分布的网络状共晶组织。相较于上部区域，底部与中部区域β-Mg17Al12相形貌较为粗大，且沿晶界析出更多亚微米级β相。这是由于逐层沉积过程中多重热循环作用下，β相优先沿晶界析出并生长所致。此外，细小的η-Al8Mn5相弥散分布于α-Mg基体中。

图5. AZ91镁合金沉积薄壁的扫描电镜图像及能谱分析结果

图6展示了AZ91镁合金薄壁试样不同取向的拉伸性能各向异性研究结果。沿行进方向试样的拉伸性能略低于堆积方向试样：堆积方向试样的极限抗拉强度（UTS）与延伸率（EL）分别为282.7 MPa和14.2%，均高于行进方向试样的271.6 MPa与11.3%；然而其屈服强度（YS）134.7 MPa却低于行进方向的140 MPa。研究表明，堆积方向试样屈服强度较低主要源于两方面机制：其一，沉积层中存在大量施密德因子（Schmid factor）超过0.4的软取向晶粒，更易发生滑移变形；其二，层状结构中存在更多相邻晶粒取向差小于10°的小角度晶界，这些晶界对变形过程中的位错运动阻碍作用较弱。行进方向试样UTS与EL的降低则可归因于垂直于行进方向的晶间共晶区域微裂纹，以及水平方向层间熔合线在电弧振荡作用下对塑性的劣化效应。实际上，CA-WAAM构件的力学性能（UTS，EL）均优于压铸AZ91镁合金（230 MPa/160 MPa/3%，ASTM B94-07标准），这应归因于更细化的晶粒尺寸及沿晶界分布的细小β-Mg17Al12相。显微硬度测试结果表明，底部区域平均硬度值为68.1 HV，略低于中部区域的。由于显微组织呈现层状分布特征，中部区域硬度存在波动现象，其平均值为72.2 HV。顶部区域的平均硬度值为68.6 HV。显微硬度均匀性特征表明，相较于析出相分布，晶粒尺寸是影响硬度的主导因素。

图6. AZ91镁合金沉积薄壁的力学性能：（a）拉伸试验结果；（b）显微硬度。

图7展示了AZ91镁合金构件不同位置拉伸试样的断口形貌特征。所有拉伸试样均呈现典型的韧-脆混合断裂模式，其特征表现为大量韧窝、韧性撕裂棱及不连续准解理面的共存形貌。在拉伸应力作用下，脆性β-Mg17Al12相与微孔洞引发应力集中，导致断口表面存在明显的小尺寸二次裂纹。断口表面分布有细小的第二相颗粒。基体α-Mg中弥散析出的细小β相不仅能阻碍裂纹扩展，还可对位错运动产生钉扎效应，诱发穿晶断裂；而沿晶界析出的第二相在拉应力作用下易引发沿晶断裂，从而降低材料塑性。此外，堆积方向试样断口呈现更多韧性撕裂棱且河流花样较少，而横向试样断口表面存在更多微裂纹。

图7 不同位置拉伸试样的断口形貌特征

 研究结论

（1）镁合金冷弧增材制造（CA-WAAM）工艺通过降低短路过渡能量峰值，有效避免了液桥断裂瞬间的飞溅现象，同时将熔滴过渡周期缩短至平均31 ms。在熔滴蒸发反冲力作用下，熔滴偏离焊丝轴向运动，导致电弧稳定性有所下降。

（2）通过CA-WAAM工艺制备的AZ91镁合金构件的显微组织主要由等轴晶粒组成，由于多重热循环作用，显微组织呈现粗晶区与细晶区交替分布的层状组织特征。构件中部细晶区与粗晶区平均晶粒尺寸分别为22.1μm和40.8μm。AZ91试样的析出相主要为β-Mg17Al12相及少量η-Al8Mn5相，其中上部区域β相尺寸相对较小。

（3）沉积件各区域硬度分布均匀，平均硬度值为69.6 HV。CA-WAAM沉积构件在沉积方向与行进方向呈现拉伸性能各向同性，行进方向试样的平均抗拉强度、屈服强度及延伸率分别为272.9 MPa、136.8 MPa和12.2%。拉伸断口表现为具有韧窝特征的韧-脆混合断裂形貌。

 团队介绍

王克鸿，南京理工大学二级教授、博导，学科带头人，智能增材与先进焊接团队负责人，江苏省333工程第一层次首席科学家、某重大项目专家组首席科学家，国家技术发明奖二等奖第一发明人，受控电弧智能增材工信部重点实验室主任，国家国防科工局科技委制造领域委员。主持国家级和省部级科研项目100余项，团队与美国、英国、德国、俄罗斯等院校建立了长期的合作关系，团队年人均科研经费400万元。60余项技术已经应用于国家高新工程、高端装备、新材料新能源等行业，使企业新增产值百亿元，发表SCI、EI收录论文约200篇，拥有发明专利160余件，获国家技术发明奖、国防技术发明奖、国防科技进步奖、军事科学技术奖、江苏省科技进步奖、兵器科技奖等25项。

范霁康，南京理工大学材料科学与工程学院副研究员、硕士生导师，主要从事智能焊接/增材工艺及装备等方面的研究。主持某重大项目课题2项，国家自然科学基金、江苏省自然科学基金各1项，参加各类国家重大科研项目10余项，以第一或通讯作者在国内外学术期刊发表高水平论文40余篇，申请/授权发明专利20余项。

来源
中国有色金属学报 l

南京理工大学王克鸿教授“智能焊接与高效增材”团队：基于冷弧工艺的电弧增材制造AZ91镁合金的工艺、显微组织和力学性能

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入 QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源

洞察

“ 3D打印内窥镜采用增材制造技术，根据患者具体情况使用生物兼容材料进行个性化定制。它能够实现复杂结构和微小细节的制造，提高内窥镜性能和可靠性。相比传统内窥镜，3D打印内窥镜具有个性化定制、高精度制造、缩短制造周期等优势。”

本研究由德国斯图加特大学的Florian Rothermel及其团队完成，研究成果发表在《Communications Engineering》期刊。这项研究旨在应对内窥镜技术在实际应用中面临的挑战，特别是在狭窄解剖区域内对成像质量和操作精度的苛刻要求。

内窥镜在医学诊断中的应用日益重要，能够以最小的侵入性观察人体内部器官和组织。随着医疗技术的发展，内窥镜的成像质量和分辨率不断提高，同时也面临着设备小型化的压力。传统的内窥镜由于其较大的外径（通常超过1毫米），在构造上往往受到局限，这严重影响了它们在狭窄空间的应用。因此，研发新的紧凑型内窥镜设备成为当务之急，本研究通过采用先进的3D打印技术，展示了一种具有可扩展功能的迷你内窥镜解决方案。

研究中，团队利用双光子聚合技术（2PP）制造了超紧凑的3D打印内窥镜微系统，强调了该方法在小型化医疗器械设计中的潜力与优势。研究者在内窥镜末端集成嵌入式电磁微线圈，并通过其激励聚合物基磁材料实现微光学元件的轴向、横向或旋转位移，从而实现成像系统的变焦、分辨率增强及视场扩展。这一技术的关键在于使用Nanoscribe公司的设备，这使得实现复杂的自由形状光学元件成为可能，而无需繁琐的微组装过程。最终，所展示的所有系统直径均低于900微米，标志着可驱动的内窥镜设备实现了里程碑式的进展。

Nanoscribe 的双光子灰度光刻技术 (2GL®) 是微纳 3D 制造领域的革命性突破。该技术融合灰度光刻与双光子聚合的优势，实现了对微结构及其表面的精确控制，提供前所未有的设计自由度。2GL® 能够制造超光滑的球面/非球面微透镜、锐利平面结构和高纵横比自由曲面微光学器件，甚至可制作衍射/折射混合光学元件。 Nanoscribe 的 2GL® 技术受中国国家专利保护（专利号：CN110573291B）。

在具体的制造过程中，研究者们面临了许多难点。例如，选择合适的材料以确保磁性材料与聚合物在光学性能上的兼容性，确保持久准确的定位与高分辨率成像是至关重要的。此外，光学元件的表面质量需要在3D打印过程中得到严格控制，以避免因材料收缩导致的图像模糊。在实验实施中，团队开发了三种不同的微系统设计，分别为：轴向位移系统、横向位移系统和旋转位移系统。每一种系统都采用单一的聚合物基磁体，结合先进的电磁驱动技术，实现了高效的光学成像功能。

在应用前景方面，所研发的微系统展示了极大的潜力，尤其是在微创手术和血管成像领域。通过联想到在腔道内的复杂操作，这些微型设备不仅可以提供实时的高清图像，还可以为微创手术提供可靠支持，进而有助于医生在狭小空间内进行精确诊断。对于生物医学研究，这种新型内窥镜的细胞级成像能力则可能为许多疾病的研究提供新工具。

总体而言，这项研究推进了内窥镜技术的发展，其所展示的微系统不仅在功能性上达到新高度，同时在尺寸和复杂性上也开辟了广阔的应用前景。未来的研究可能会进一步探索在不同生物环境下的封装与防水处理，以满足更广泛的临床需求。此外，考虑到微型设备的精确控制，研究团队也计划建立反馈控制回路，以提高驱动设备的响应速度和重复定位精度。这项研究的成功，不仅表明了使用磁性驱动的3D打印内窥镜微系统的可能性，还为未来更高效、安全的医疗设备提供了新的解决方案，展现了相应的应用前景与希望。

相关文献及图片出处
https://doi.org/10.1038/s44172-025-00403-8

来源
MNTech微纳领航 l

可磁性驱动的3D打印内窥镜微系统

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入 QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源

洞察

人工智能将重新定义增材制造，解决制约3D打印产业化方面有关产品质量的两个关键挑战：Predictability（质量的可预测性）与Repeatability（质量的可重复性）。人工智能将成为3D打印技术的内核，赋能3D打印技术突破成本与可复制性的束缚，将扫平原型制造与量产之间的鸿沟，开辟指数级别增长之路，也将重新定义增材制造领域的诸多商业模式。”

层间热积聚（IHA）是激光粉末床聚变（LPBF）过程中的主要挑战，因为它加剧了熔池的不稳定性，并损害了竣工样品的质量。华中科技大学魏青松教授团队建立了一个门控递归单元（GRU）神经网络模型，用于使用机器学习来预测成型样品中的IIRI，以减轻IHA。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

在316 L合金上训练的模型在转移到DZ125高温合金上时获得了精确的预测结果，有效地管理了LPBF过程中的各种紧急情况。相对密度从91.6%增加到98.5%，表面粗糙度（Ra）从32.58μm降低到19.91μm，顶面上的残余应力从169.21 MPa降低到102.37 MPa。

图1.形成序列特征计算示意图：（a）红外辐射强度峰值图；（b） 红外辐射强度平均图；（c） 整个组件的切片红外辐射强度序列信息；（d） 单层红外辐射强度序列特征。

图2. 门控递归单元（GRU）输入数据示意图。

图3. 预测模型的结构设计：（a）RNN；（b） RNN的内部结构；（c） GRU结构。

本研究所使用的DZ125高温合金粉末是由辽宁冠达新材料科技有限公生产的。粉末微观结构的SEM图像如图4（a）所示。粉末的D10、D50和D90分别为20.52、34.64和54.36μm，符合LPBF工艺的要求。

在成型过程之前，将粉末在120°C的烘箱中干燥2小时，以去除水分并提高流动性。316L样品是使用275 W的激光功率和600 mm/s的扫描速度制造的，而DZ125样品是使用300 W的激光能量和500 mm/s的扫描速度制造的。两种材料均采用0.03 mm的层厚和层间67°旋转的扫描策略。使用热像仪（Fotric628CH，中国）记录整个LPBF过程中的红外辐射强度。热成像仪直接安装在成型表面上方，可以实时监控整个成型区域。基于神经网络模型预测的结果，使用之前工作中报告的自适应动态调整算法实时动态调整过程参数。该方法用于制造底面为8 mm×8 mm、顶面为20 mm×20 mm、高度为30 mm的DZ125截棱锥部件。另一个样品使用恒定的工艺参数制备，作为对照组。

图4. DZ125粉末颗粒的特征：（a）SEM形态；（b） 粒度分布。

分析了316L叶片部件的IIRI序列特征，三维分布图如图5（a）所示。用于训练机器学习模型的叶片模型是高压涡轮叶片的缩小版本，高压涡轮叶片是航空发动机中操作最关键的热段部件之一。叶片模型长50毫米，宽30毫米，高50毫米，如图5（a）所示。图5（b）显示了基于为每层计算的序列信息Ifeature的散点图。在LPBF过程中，IIRI序列特征表现出三种类型的序列相关性。

（1） 长期序列相关性：如图5（b）所示，序列信息Ifeature通常呈现出明显的上升趋势，这主要归因于随着建筑高度的增加，IHA效应增加，散热效率降低。

（2） 周期性序列相关性：如图5（c）所示，序列信息Ifeature在形成的层内呈现出约1mm的周期性波动。这主要是因为本研究中每层的扫描角度旋转了67°。

（3） 短期序列相关性：如图5（d）所示，圆圈区域对应于LPBF过程中的意外事件，具体来说，是扫描暂停导致粉末床温度降低。这导致在成形过程中红外辐射强度较低，从而导致计算出的Ifeature较低。此更改会显著影响后续图层，导致Ifeature减少。

图5. 叶片部分层间红外辐射强度序列特征分析：（a）红外辐射强度的三维分布序列特征；（b） 长期序列相关性；（c） 周期序列相关性；（d） 短期序列相关性。

在LPBF过程中，各层之间存在明显的序列相关性。因此，可以采用机器学习来学习底层关系，从而基于来自前一层的数据预测下一层的序列信息。这使得能够实时评估当前的成形状态。前面介绍的叶片部件的预测结果如图6所示。GRU成功地学习并预测了层间层序信息随形成高度增加的总体增长趋势，如图6（a）所示。此外，它可以有效地捕获LPBF过程中每层67°旋转扫描策略引起的序列信息的周期性波动，并提供准确的预测。

图6. 叶片零件层间红外辐射强度序列特征预测结果：（a）整体成形序列特征预测比较；（b） 局部形成序列特征预测的比较；（c） 突发情况的影响；（d） 预测结果的结构性变化。

图6（c）显示了LPBF过程中意外事件对预测结果的影响。叶片部件LPBF过程中的扫描暂停导致IIRI序列值急剧下降，如图中圆圈所示，导致粉末床内的热损失。A点的预测值基于从先前形成的序列特征中学习到的长期和周期性模式，与实际值存在显著差异。然而，预测模型通过学习后续两层中的短期序列相关性，快速适应了意外事件的影响，从而在B点做出了准确的预测。

图6（d）显示了意外事件和结构变化对IIRI序列特征的综合影响。C点对应叶片部分顶部的层，此处成形面积小，蓄热效果相对较弱。因此，在短暂的扫描暂停后，粉末床温度未能恢复，导致后续层的IIRI持续较低。对于这种意外的复合事件，预测模型在五层内进行自我校正，恢复D点的预测精度。这表明GRU神经网络可以通过在LPBF过程中学习多维序列相关性来有效地处理各种意外情况。即使由于某些层中的意外事件而无法进行准确的预测，该模型也会在后续层中快速调整，表现出良好的鲁棒性。

为了验证其在不同材料中的适用性，直接应用基于316L不锈钢实验数据训练的GRU来预测DZ125镍基高温合金的IIRI。本研究在单晶基板上制备了一个高度为20mm的矩形试样。相应IIRI序列特征的三维分布如图7（a）所示。该组件收集不同条件下的实验数据。在达到10mm的成形高度之前，激光功率和扫描速度是连续变化的，而在成形高度超过10mm之后，激光参数是固定的。这种可变参数的成形过程导致了层间序列特征的波动。如图7（b）所示，直到成形高度超过10mm，层序特征的总体趋势才稳定下来。

图7. DZ125镍基高温合金零件层间序列特征预测结果：（a）成形序列特征的三维分布；（b） 整体成形序列特征预测的比较；（c） 6-8mm预测值的比较；（d） 17-18毫米预测值的比较。

通过比较图7（b）中的预测值和实际值，很明显，即使在各种条件下，GRU也表现良好。实际值和预测值之间的计算MAE为27.3，R²值为0.756。当激光功率意外增加时，IIRI急剧增加，如图7（c）所示。GRU网络可以在几层内快速调整和纠正预测。此外，如图7（d）所示，一旦激光参数稳定，预测精度就会提高。这些结果表明，即使在新的材料系统中，预测模型也能保持高精度。不同材料系统中层间序列相关性的存在表明，一旦GRU了解到这种相关性，就可以用来改进当前层的IIRI预测结果。因此，所开发的神经网络模型对不同材料具有良好的适用性。

根据预测的IIRI序列特征，使用之前研究中报告的自适应算法动态调整了制造DZ125截棱锥组件的工艺参数。评估了IIRI分布、表面质量、内部缺陷和残余应力，并将其与使用固定工艺参数制造的其他部件进行了比较。

图8（a）显示了使用优化的IIRI预测模型和规则常数工艺参数制造的截棱锥部件的照片。优化样品的顶面光滑，展现出更明亮的金属光泽，而常规样品的顶面的颜色明显较深，这是由于随着建筑高度的增加，明显的IHA效应引起的过烧造成的。图8（a1）和8（a2）分别显示了优化样品和常规样品所有层的IIRI三维分布。在0-5mm的高度范围内，常规样品的IHA并不显著。这是因为靠近基材的初始层中熔池的温度梯度和冷却速率更高，导致散热更快。随着建筑高度的增加，IIRI显著增加，在顶面达到峰值。此外，热量积聚集中在顶面的边缘。这一结果与之前的研究结果一致，在之前的研究中，薄壁部件边缘的严重烧蚀导致成形质量显著下降。图8（b）显示了常规和优化样本的IIRI随建筑高度的变化。尽管优化样本的IIRI随着建筑高度的增加而增加，但它仍然明显低于常规样本。IIRI的三维分布表明，峰值没有出现在顶面上，IIRI分布均匀。因此，IIRI预测模型可以有效地指导LPBF工艺的优化，缓解IHA问题，减少部件顶面过烧现象，从而提高整体成形质量。

图8. 使用预测模型优化和规则常数工艺参数制造的截棱锥部件的IIRI分布：（a）照片和（a1）优化和（a2）规则样品的IIRI三维分布；（b） LPBF过程中不同建筑高度的IIRI值的统计结果。

为了尽量减少局部变化对整体结果的影响，选择了优化和规则截棱锥组件顶面上的九个区域来确定表面质量，如图9所示。在常规样品的顶面上，观察到许多高度高达300μm的球形突起和向内延伸的孔。大多数孔分布在球形突起周围，这是由于顶面上的IHA效应引起的过烧现象造成的。过高的激光能量密度和粉末床温度会加速熔池内的流体流动，导致表面张力驱动的球化和不规则球形凸起的表面质量差。当激光能量密度过高时，蒸汽羽流会导致大量熔融飞溅物附着在样品表面。同时，气体可能被熔池内的湍流夹带，导致冷却时形成孔隙。这些孔显著降低了部件的相对密度和机械性能。过高的温度也会导致材料蒸发，从而导致某些元素的损失和烟雾的产生，这不仅会损害零件的成型质量，还会对设备和操作环境产生负面影响。此外，过烧可能会改变预定义的熔化路径，导致实际样品和3D模型之间的尺寸偏差，并降低几何精度。如图9（a）所示，IHA引起的过烧导致表面粗糙度显著增加，并形成影响部件性能的缺陷。相比之下，使用IIRI预测模型优化的样品表面在球化或空隙方面没有表现出明显的缺陷，如图9（b）所示。规则和优化部件的表面粗糙度（Ra），按九个区域的平均值计算，分别为32.58μm和19.91μm。根据预测的IIRI值实时动态调整工艺参数，以确保粉末完全熔化，同时避免过烧。这有效地提高了竣工样品的表面质量，从而得到更致密、更光滑的表面。

图9. 截棱锥组件顶面的照片和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）形态：（a）使用恒定工艺参数制造的规则样品；（b） 通过IIRI预测模型优化样本。

图10（a）和10（b）分别显示了规则和优化截棱锥组件的CT结果。深色区域代表未熔合的空隙，而浅色区域对应于凝固的金属。很明显，常规样品包含许多未熔合的空隙，这些空隙随着建筑高度的增加而逐渐增加，严重影响了其性能。从常规样品的纵向横截面观察到，在0-10 mm的高度范围内，空隙较少。然而，空隙的数量在10 mm后逐渐增加，在样品顶部达到峰值。相比之下，优化样品中的孔隙数量显著减少。在0-15mm的高度范围内，优化的样品几乎完全致密，几乎没有空隙。随着建筑高度的增加，仅在20至30毫米的高度范围内观察到一些空隙。此外，在常规样品中观察到沿建筑方向延伸的裂缝，这归因于高残余应力。DZ125高温合金的高Al+Ti含量使其在LPBF过程中容易产生沿晶界传播的凝固裂纹。从横截面来看，优化样品中的孔隙数量明显低于常规样品。使用阿基米德法测量的优化前后截棱锥组件的相对密度分别为91.6%和98.5%。因此，本研究中使用机器学习建立的IIRI预测模型有效地提高了竣工部件的致密化，减轻了IHA引起的未熔合孔隙的形成，从而提高了它们的力学性能。

图10. 截棱锥组件的CT结果：（a）使用恒定工艺参数制造的规则样品；（b） 通过IIRI预测模型优化样本。

晶格应变εΨ对不同建筑高度下每个倾斜角度Ψ对应的sin2Ψ进行了拟合，结果如图11所示。表1列出了不同建筑高度的残余应力值，这些值是根据拟合曲线的斜率计算得出的。优化和规则截棱锥组件内产生的残余应力都是拉伸应力，这与样品形状和所涉及的冶金过程有关。在LPBF过程中，每层的快速加热和冷却都会产生严重的热循环。这种热循环导致了显著的温度梯度：激光点附近的温度极高，而在距离激光点较远的位置，温度迅速下降。由于金属材料的固有特性，这种温差导致不同区域的膨胀和收缩不均匀。熔池在瞬时激光照射下呈弧形轮廓，其中熔融金属被反冲压力推向熔池边缘。激光移开后，由于极端的温度梯度，熔融金属迅速冷却，无法完全重新填充熔池的中心。这种非平衡凝固过程导致了内部拉伸残余应力的形成。

图11. 晶格应变的拟合结果εΨ对应于sin2Ψ在不同的建筑高度下，（a）规则和（b）优化的截棱锥组件：（a1）和（b1）6mm；（a2）和（b2）12毫米；（a3）和（b3）18毫米；（a4）和（b4）24毫米；（a5）和（b5）为30毫米。

表1. 不同高度下规则和优化截锥构件的残余应力（MPa）。

表1中的统计结果表明，样品内的残余应力随着建筑高度的增加而逐渐增加。随着样品高度的增加，先前固化的层对当前层施加了更强的机械约束。这意味着当前层在冷却过程中不能自由收缩，而是被迫适应现有结构，进一步加剧了拉伸残余应力的发展。逐层产生的热应力不易消散，而是逐渐累积。对于截棱锥组件，顶部区域更容易受到拉应力的累积，因为来自下层的约束变得更加明显。与优化后的样品相比，用恒定参数制备的常规样品在12mm高度后的残余应力以更快的速度增加，导致顶层残余应力显著升高，如图12所示。高残余应力会增加裂纹形成的风险，并对零件的机械性能产生不利影响。基于机器学习的IIRI预测模型可以指导工艺参数优化，减轻锁孔效应，有效降低部件内的残余应力。

图12. 规则和优化截锥构件不同高度残余应力的比较。

当激光连续扫描多层粉末时，冷却时间不足和热传导不足会导致后续层的起始温度更高。LPBF工艺中的IHA改变了熔池的冶金行为，这显著影响了飞溅的形成和竣工样品的质量。IHA的缓解主要通过改变小孔效应来提高成形质量。过量的IHA导致钥匙孔加深，导致空隙的形成，而减少的IHA通过减轻钥匙孔效应提高了形成的样品的相对密度。图13（a）和（b）分别显示了高IHA和低IHA条件下熔池的冶金过程，揭示了小孔形态、飞溅产生和缺陷形成的机制。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

当激光束照射金属粉末时，吸收的能量转化为热量。局部区域迅速加热到合金熔点以上，形成熔池。如果能量密度足够高，材料就会蒸发，产生高温高压蒸汽，形成向上的羽流。蒸汽羽流带走了大量的热量，并可能输送未熔化的粉末颗粒和熔融金属液滴，导致形成过程中的飞溅。飞溅增加了前一层的粗糙度，损害了下一层粉末床厚度的均匀性，最终降低了竣工样品的相对密度。强蒸汽羽流产生与激光束方向相反的力，称为反冲压力。这种反冲压力增加了熔池的不稳定性，加剧了小孔效应。熔池中的动态波动导致小孔在激光移开后失稳并坍塌，在凝固的金属中留下空隙。

图13. LPBF过程中（a）高IHA和（b）低IHA条件下熔池的冶金行为。

固定的工艺参数导致LPBF工艺过程中的IHA，这增加了粉末床和先前熔化层的温度。基板温度的升高降低了达到钥匙孔模式所需的能量阈值，使其更容易形成和维持钥匙孔。此外，温度的升高加速了熔池内的材料蒸发速率，导致蒸汽产生增加和蒸汽压升高。因此，熔池的流动性和表面波动加剧。高温还会降低熔融金属的表面张力，使熔池表面更难承受内部蒸汽压。这些因素最终加剧了钥匙孔效应，产生了更多的飞溅和空隙，如图13（a）所示。本研究中使用机器学习开发的IIRI预测模型可以在LPBF过程中实时动态调整输入激光能量，从而减少热积聚并减轻小孔效应。如图13（b）所示，飞溅和空隙的数量和大小显著减少，从而提高了竣工样品的质量。值得注意的是，激光能量的高斯分布不可避免地会在形成的样品内产生少量的孔。然而，由于其尺寸较小，这些孔在CT图像中不可见。

所建立的IIRI预测神经网络模型有效地解决了LPBF过程中的IHA问题，可以提高部件的成形质量。主要结论总结如下：

（1） GRU神经网络模型准确预测了LPBF过程中的平均IIRI。实际值和预测值之间的MAE为7.7，R²决定系数为0.964。

（2） 所建立的神经网络模型在预测LPBF制造的DZ125高温合金的IIRI方面取得了优异的性能，证明了其对不同材料的良好适用性。

（3） 通过动态调整工艺参数，该模型显著减少了DZ125截棱锥部件的内部孔隙缺陷，提高了表面质量。优化后，与常规部件相比，相对密度从91.6%提高到98.5%，表面粗糙度（Ra）从32.58μm降低到19.91μm，顶面残余应力从169.21 MPa降低到102.37 MPa。

▏通讯作者简介

魏青松，华中科技大学“华中学者”，特聘教授、博士生导师，材料科学与工程学院材料加工专业研究生教研室主任。兼任中国机械工程学会增材制造分会副总干事，中国机械工程学会特种加工学会理事，中国模具工业协会装备委员会副主任，中国机械工程学会团体标准增材制造应用领域标准召集人，Metals期刊编委。作为共同主席创办了中国增材制造青年科学家论坛年会。主持了国家自然科学基金、国家重点研发计划课题、国家两机专项课题等国家、省部级和企业科研任务20余项。

主要从事增材制造新材料、新工艺和新装备的研发与应用，重点研究激光选区熔化金属增材制造和粘接剂喷射增材制造技术。面向航空航天、生物医疗和模具等领域复杂化、个性化和整体化制造需求，研究增材制造的材料制备、工艺优化和装备开发及其应用。

简介来源：http://faculty.hust.edu.cn/weiqingsong/zh_CN/index/1406233/list/index.htm

来源：增材研究，编辑：张维官，审核：游小秀

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入 QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源

洞察

“ 晶粒尺寸越小、晶界数量越多、微观结构越均匀，陶瓷的抗压强度、抗弯强度等通常越高。通过引入形核剂颗粒以促进非均质形核，或者加入具有高生长限制因子（Q因子）的溶质，以便在固/液界面快速产生足够的成分过冷来实现形核，将柱状晶粒转变为细小的等轴晶粒，陶瓷微观结构的改变对其力学性能的影响程度最大，对热学性能和电学性能的影响也较大，这种基于合金化的方法来细化增材制造陶瓷的微观结构，有望为增材制造领域设计和开发无裂纹、高性能陶瓷开辟新的途径。”

导读：激光增材制造（LAM）有潜力彻底变革陶瓷制造领域，因为它能够快速生产出近净形零件，从而避免了传统方法中常见的繁琐的后烧结工序。然而，陶瓷本身的脆性以及激光增材制造过程中的快速冷却会导致严重的开裂问题，这阻碍了其广泛应用。为了应对这一挑战，研究人员提出了一种创新的材料设计方法，该方法的灵感来源于金属铸造中的晶粒细化原理。通过引入生长限制溶质，在具有商业相关性的氧化钇稳定氧化锆中证明了这种方法的有效性。利用固液界面处的大量过冷现象以及溶质引起的生长限制，这种调控手段将微观结构从粗大的柱状晶粒转变为细小的等轴晶粒。微观结构的转变产生了显著的增韧效果，有效地抑制了激光增材制造的陶瓷中裂纹的形成。研究结果为其他陶瓷材料的设计带来了希望，并且为充分发挥激光增材制造在高性能陶瓷制造方面的潜力提供了一条前景广阔的途径。

激光增材制造（LAM）技术，包括激光粉末床熔融（LPBF）和激光定向能量沉积（LDED），在从航空航天到生物医学工程等多个领域的变革中展现出了巨大的潜力。与传统制造方法相比，其独特的逐层制造方式具有显著优势，能够以近净形的方式制造出复杂的几何形状，同时提供了无与伦比的设计灵活性，无需使用模具，还能降低成本并缩短生产周期。将LAM技术应用于陶瓷制造尤为诱人，因为它可以绕过传统方法中通常所需的冗长后烧结工序，从而简化制造流程。然而，尽管具有潜力，但由于陶瓷本身的脆性以及激光加工过程中产生的巨大热应力，将LAM技术应用于陶瓷材料仍面临重大挑战。这些挑战增加了裂纹形成的风险，削弱了制造部件的机械完整性和使用寿命。

在过去十年中，为解决这些问题而开展的研究工作显著增多。系统研究深入探讨了激光参数（如激光功率、扫描速度、扫描策略）对裂纹形成的影响，结果表明，即使在优化的激光加工参数下，裂纹问题仍然存在。人们探索了各种技术，例如在LPBF中采用高温预热，虽然这种方法能够制造出完全致密的部件，但部件尺寸和表面质量会受到限制。同样，在LDED过程中引入超声振动在减轻裂纹方面取得了一定成效，但其效果受限于超声能量的穿透深度。裂纹问题的持续存在使得有必要探索创新途径来改进陶瓷材料的LAM技术。

与传统烧结的陶瓷相比，通过LAM制造的陶瓷通常具有独特的微观结构，其主要特征是沿构建方向（BD）排列的粗大柱状晶粒。这种现象是由于小熔池内定向快速凝固过程中固有的巨大热梯度所致，这种热梯度阻碍了凝固前沿前方的形核，并促进了外延晶粒生长。虽然柱状晶粒结构在传统加工的陶瓷中有时被认为是有利的，具有提高定向强度和抗热震性等优点，但在LAM制造的陶瓷中形成这种结构会直接导致严重的裂纹，从而显著降低部件的机械性能。首先，沿柱状晶界的区域由于这些界面固有的高应力集中，极易引发裂纹。其次，一旦裂纹形成，柱状结构晶界处的细长晶间通道会在LAM过程固有的热拉伸应力作用下为裂纹扩展提供便利途径。随着材料逐层沉积，这些裂纹会跨越多个层扩展，最终导致严重的宏观裂纹。

因此，调整微观结构成为提高LAM制造陶瓷抗断裂性能的关键策略。尽管此前在晶界引入第二相的努力在一定程度上提高了韧性，但未能从根本上改变柱状晶粒生长的特性，因此也无法解决LAM过程中陶瓷易开裂的问题。因此，如何消除LAM制造陶瓷中这种不理想结构的关键问题仍未得到解决。

在这项工作中，西安交通大学的团队提出了一种革命性的方法，旨在将柱状晶粒转变为细小的等轴晶粒，从而大幅减少LAM制造陶瓷中的裂纹。这一开创性方法的核心是创新应用铸造行业开发的晶粒细化技术。该策略的原理是引入形核剂颗粒以促进非均质形核，或者加入具有高生长限制因子（Q因子）的溶质，以便在固/液界面快速产生足够的成分过冷来实现形核。细小等轴晶粒的形成不仅能防止凝固裂纹并阻碍裂纹扩展，还能改善机械性能、孔隙分布和补缩特性，从而减少缩孔缺陷。过去十年，金属的LAM技术取得了巨大成功，这得益于传统金属铸造领域丰富的经验和强大的数据库。虽然形核剂颗粒在金属凝固晶粒细化方面的有效性已得到充分证实，但将其应用于陶瓷的LAM技术面临巨大挑战。这主要是因为大多数陶瓷的熔点极高，使得有效的孕育剂颗粒难以在过热的熔池中作为有效的形核位点存活下来。此外，还存在颗粒团聚和局部缺陷形成等实际问题。因此，在这项工作中，我们采用了基于合金化的方法来细化LAM制造陶瓷的微观结构，并以Q因子作为溶质选择的主要标准。

氧化钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷是验证我们方法的理想材料，因为它在工业上有广泛应用，并且其高熔点带来了打印难题，会促使形成粗大的柱状晶粒和裂纹。根据经典形核理论，具有生长限制作用的溶质可以在凝固前沿前方迅速形成成分过冷区，激活非均质形核位点并抑制晶粒生长。溶质的有效性可以用二元系统中定义的Q因子来量化，其中，是相图中液相线的斜率，k0是由相图中固相线和液相线确定的分配系数，$C_0$是溶质浓度。在计算了氧化锆中各种溶质的归一化Q因子（wt.%）后，我们选择了作为溶质添加剂，因为它具有高归一化Q因子、出色的化学稳定性和商业可得性等优点。为了进行对比，我们还加入了两种Q因子较低的溶质，以强调Q因子在控制晶粒尺寸方面的关键作用。我们进行了实验和数值分析，以阐明微量溶质对YSZ陶瓷微观结构调控的影响。这些见解有望为LAM领域设计和开发无裂纹、高性能陶瓷指明新的途径。

相关研究成果以“Solute-induced grain refinement for crack suppression in laser additive manufactured ceramics”发表在Acta Materialia上
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425003593

表1. 与ZrO₂ 合金化的不同溶质的归一化生长限制因子（Q）

表2. 用于凝固模型的激光增材制造（LAM）氧化钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷的材料物理性能和凝固条件

图1. 激光增材制造（LAM）制备的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷部件质量：（a）纯YSZ和YSZ – 5Al₂O₃薄壁结构宏观图；（b – c）Micro – CT重建图像，分别展示纯YSZ试样（b）和含5 wt.% Al₂O₃试样（c）内部缺陷；（d）纯YSZ与YSZ – 5Al₂O₃陶瓷实测硬度和断裂韧性对比；（e – i）光学显微图像，显示纯YSZ样品（e）以及含不同浓度溶质（1 wt.% Al₂O₃（f）、3 wt.% Al₂O₃（g）、5 wt.% Al₂O₃（h）、7 wt.% Al₂O₃（i））样品纵向截面的缺陷分布，黑色箭头表示LAM制造中的构建方向（BD）和激光扫描方向（SD）。

图2. 激光增材制造（LAM）制备的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷纵向截面的电子背散射衍射（EBSD）结果：（a）纯YSZ陶瓷的EBSD – 反极图（IPF）；（b）YSZ – 5Al₂O₃陶瓷的EBSD – IPF；（c）对应（a）的EBSD – 极图（PFs）；（d）对应（b）的EBSD – PFs。在EBSD分析中，t’ – ZrO₂结构被视为假立方结构，晶体取向沿构建方向（BD）观察，EBSD – IPFs中的颜色编码表示晶粒取向，EBSD – PFs中的色标表示衍射峰的相对强度。

图3. 溶质类型和含量对晶粒尺寸的影响。插图展示了晶粒尺寸与Q因子倒数（1/Q）之间的关系。

图4. 掺杂Al₂O₃的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）样品纵向截面的背散射电子扫描电子显微镜（BSE SEM）图像以及铝（Al）、锆（Zr）、钇（Y）和氧（O）元素的能谱（EDS）图：（a）YSZ – 1Al₂O₃；（b）YSZ – 3Al₂O₃；（c）YSZ – 5Al₂O₃；（d）YSZ – 7Al₂O₃ 。

图5. YSZ – 5Al₂O₃样品单个晶粒周围的电子背散射衍射（EBSD）表征结果：（a）相分布图；（b）EBSD反极图（IPF）；（c）如（b）中所示位置1至9处基体相和溶质相的晶体取向。

图6. 激光增材制造（LAM）制备的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）样品的透射电子显微镜（TEM）表征：（a – b）制备态的纯YSZ（a）和YSZ–5Al₂O₃（b）样品的TEM明场（BF）图像，插图（a1）和（b1）分别是（a）和（b）的放大视图；（c）从倾斜至[111]立方晶带轴的LAM制备样品得到的典型选区电子衍射（SAED）图谱；（d – f）利用（c）cubic中如红色虚线圆圈所标记的不同{112}型反射形成的一个晶粒内三种t’变体的TEM暗场（DF）图像，它们的晶带轴取向平行于[111]cubic立方；（g）从纯YSZ的[111]立方晶带轴获取的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，插图展示了（g1）立方相ZrO₂（c – ZrO₂）和（g2）t’ – ZrO₂的原子结构。

图7. 激光增材制造（LAM）制备的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷的凝固建模（计算域为0.6×0.16×0.6立方毫米）：（a）不同Al₂O₃含量下YSZ陶瓷的模拟最终微观结构，Z方向箭头表示温度梯度方向；（b – e）从三维凝固模型中提取的二维切片，分别对应YSZ – 1Al₂O₃（b）、YSZ – 3Al₂O₃（c）、YSZ – 5Al₂O₃（d）和YSZ – 7Al₂O₃（e）的情况。所有情况下的凝固时间均为0.12秒，色条表示Al₂O₃溶质浓度（以重量百分比计），超出色标范围的值将显示为相同颜色。

图8. 更精细尺度凝固模型的模拟结果（计算域为0.1×0.1×0.3立方毫米）：（a）YSZ–5Al₂O₃体系中移动的柱状枝晶尖端前方的模拟液相线、固相线和局部温度曲线，插图展示了模拟的柱状枝晶形态，枝晶尖端距离底部75微米，黑色虚线箭头表示枝晶生长方向，其起点对应于（a）中所示的距离（横坐标）0微米；（b）不同Al₂O₃浓度下柱状枝晶尖端前方的模拟总过冷度∆Ttotal曲线；（c）在不同Al₂O₃浓度下，成分过冷∆Tcs和热过冷∆Tt对最大总过冷度∆Ttotal的计算贡献。

综上所述，研究人员成功地将金属铸造中常用的晶粒细化概念拓展到了陶瓷增材制造领域。通过有策略地向氧化钇稳定氧化锆（YSZ）陶瓷中引入高Q因子溶质，研究人员实现了从粗大柱状晶粒到细小等轴晶粒的显著转变。这种微观结构的细化主要是由固液（S/L）界面处的大量过冷以及溶质引起的生长限制所驱动的，它有效地抑制了激光增材制造（LAM）陶瓷中裂纹的形成，并提升了其机械性能。

通过结合实验和建模技术，研究人员阐明了调控微观结构的潜在机制。研究人员预期，所提出的合金化方法将为LAM陶瓷材料设计的进一步创新铺平道路，并在推动该领域的发展中发挥至关重要的作用。

未来的研究包括将这种方法拓展到更广泛的陶瓷材料范围，并探索其与预热、超声辅助或其他先进的场辅助方法等技术的协同效应，以增加LAM制造的陶瓷部件的规模和复杂程度。

来源
材料学网 l

西安交通大学《Acta Materialia》溶质诱导晶粒细化以抑制激光增材制造陶瓷中的裂纹

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入 QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源

洞察

“ 增材制造仿生界面在可再生能源领域的应用具有巨大的商业价值，例如，在太阳能电池板自清洁领域，增材制造的润湿可控表面可显著提高光电转换效率，减少维护成本。在水处理系统领域，随着全球水资源短缺问题的加剧，水处理市场需求持续增长。增材制造的仿生界面可用于海水淡化和废水处理，提高淡水回收率和水质。在太阳能光伏发电领域，增材制造的仿生结构电极材料可提高电池的光电转换效率，降低成本。在电动汽车和便携式电子设备领域，高性能电池的需求不断增长。增材制造技术可精确控制电池电极材料的微观结构和组成，提高电池的比容量、循环稳定性和安全性。在化学合成和环境保护领域，增材制造的仿生催化剂可提高反应的选择性和效率，降低生产成本。”

通过多尺度结构与功能设计，仿生界面在减少能源消耗和生产可再生资源方面展现出独特优势。为突破传统制造技术难以实现复杂仿生结构的局限，增材制造（AM/3D打印）技术通过灵活的设计与高精度成型能力，为实现仿生结构多尺度重构及功能再创提供了全新机遇。近年来，仿生界面的增材制造已在可再生能源领域取得显著进展，但仍需解决若干关键挑战。本综述首先解析了仿生界面润湿控制、能量转换与化学反应的核心机制，总结了增材制造技术的优势及适用性，随后重点综述了增材制造仿生界面在可再生能源领域的突破性应用：润湿可控表面、水处理系统、能量收集器件、高性能电池、催化和反应器。最后，探讨了增材制造仿生界面当前存在的挑战与未来研究方向，为新一代可再生能源技术开发提供创新思路。

该综述以“Additive manufacturing of bionic interfaces: From conceptual understanding to renewable energy applications”为题发表在《Advanced Bionics》上。论文通讯作者是吕坚院士（香港城市大学）。

 文章速览

1. 引言

图1. 本综述框架

2. 仿生简介

自然界通过精巧演化形成的界面结构，能够满足生物体生存或相关生态系统中非生物功能的独特需求。依托微/纳米尺度特征的结构润湿性、能量传递能力及化学反应活性，这些天然界面衍生出广泛的应用。其核心机理在于生物与非生物界面在生态系统功能中所展现的性能调控机制。师法自然并超越自然，是实现仿生功能的最有效途径。例如，植物（从荷叶到树根）是典型的仿生原型：叶片通过光合作用为植物提供养分，其功能涵盖光能转化、液体输运、CO2至O2的资源生产，以及自清洁与水分保持等附加特性。界面多功能性与高协同效率引发了科研界对仿生过程重构的极大兴趣。

通过深入解析内在机制，仿生界面不仅能够复现自然功能，更可超越原型限制。例如，受植物叶脉结构启发的仿生燃料电池，通过优化氧气扩散路径提升性能；模仿植物茎秆液流传导的仿生织物结构，突破了自然限制，实现电能高效收集。功能性仿生界面设计已从早期的简单形态复制，迈向以机制研究为核心的深度发展阶段。

基于生物结构研究的机理与原理，能够支持开发超越自然界现有结构的仿生结构。生物界面与仿生界面所表现出的独特功能主要可分为三类：（1）表面润湿性；（2）物理电学特性；（3）化学反应。

图2. 仿生界面润湿状态示意图

图3. 表面/界面能量收集技术的基本原理

自然界中存在多种尺度各异的生物表面与界面结构：例如具有微纹理和毛发状结构的叶片表面、呈现复杂微纳结构与独特纹理的鱼鳞，以及具备多层光学结构的蝴蝶翅膀。这些结构可为能源器件界面设计提供丰富灵感。虽然仿生表面/界面常包含复杂而不规则的微纳多尺度几何特征，但通过X射线计算机断层扫描、磁共振成像等先进扫描技术可精确复现其复杂构造。不过，将这些仿生设计真正转化为实用界面仍面临重大挑战。

传统方法难以实现复杂仿生表面/界面结构的高精度制造，也无法有效复现其特有的物理化学特性和功能。要解决这些问题，需要采用能实现材料-结构-功能一体化集成的先进制造技术，才能精确高效地制备高性能仿生表面/界面。

3. 仿生增材制造策略

增材制造（又称3D打印）是一种基于三维计算机模型数据，通过自下而上逐层堆积构建三维物体的工艺。相较于传统制造技术，该技术展现出显著优势：（1）具备制造高度复杂结构的卓越灵活性；（2）可实现多尺度特征的快速成形；（3）支持塑料、金属、陶瓷及复合材料等多类材料的加工。这些特性不仅能大幅缩短制造周期、减少材料浪费，还可显著降低生产成本。特别值得关注的是，当增材制造与计算机断层扫描/磁共振成像技术相结合时，能实现高分辨率复杂仿生结构的快速原型制造——这类结构往往难以采用传统方法制备。正如图4所示，增材制造技术的兴起已从根本上重构了现有制造方法体系。

图4. 仿生器件增材制造及后处理方法

4. 可再生能源应用

基于对仿生界面与增材制造工艺的理解，接下来综述了增材制造仿生界面在不同领域的创新应用：润湿态调控表面、水处理系统、能量收集装置、电池以及催化等。

图5. 用于降低能耗的3D打印仿生润湿可控界面应用
图6. 通过3D打印仿生润湿可控界面实现可再生资源收集
图7. 用于水分输运的3D打印点阵结构
图8. 用于太阳能海水淡化的3D打印仿生异质结构
图9. 3D打印抗盐太阳能海水淡化蒸发器
图10. 3D打印仿生表面/界面在能量收集中的应用
图11. 仿生结构电极材料设计
图12. 3D打印仿生催化剂
图13. 用于废水处理的3D打印仿生结构

5. 结论与展望

本文针对增材制造仿生界面在可再生能源领域的应用进行了系统综述，为这一新兴领域提供了基础认知框架。通过梳理从仿生机理到具体应用的完整技术链，重点探讨了增材制造/3D打印技术在以下五大领域的工程实践案例：（1）润湿可控界面；（2）能量收集；（3）水处理系统；（4）电池技术；（5）催化剂开发。基于各领域当前研究进展，总结并提出了一些前瞻性思考。

图14. 增材制造仿生界面在可再生能源应用的展望

此外，自然界中虽存在大量自然界面，但现有仿生研究仅聚焦于少数结构。未来若能从地外空间、大气环境、陆地及海洋等多元环境中发掘仿生对象，有望催生新型仿生结构并揭示未知机制。当前仿生研究大多停留在自然界已有结构与功能的复制层面，亟需引入人工智能等新兴设计策略，以突破自然限制实现超自然仿生设计。现有报道的仿生界面多为单一材料架构或功能局限，而具有更高生物拟真度的仿生界面将更全面更智能，可逼近甚至超越生物体的能量转化与收集能力。因此，增材制造技术的持续革新将成为构建这类智能仿生界面的核心驱动力。

【吕坚院士简介】

吕坚，法国国家技术科学院(NATF)院士、香港工程科学院院士、香港高等研究院高级研究员香港城市大学工学院院长、香港城市大学机械工程系讲座教授、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。曾任法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系系主任、法国教育部与法国国家科学中心(CNRS)机械系统与并行工程实验室主任、香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授、兼任香港理工大学工程学院副院长、香港城市大学副校长(研究及科技)兼研究生院院长。曾2011年被法国国家技术科学院(NATF)选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得72项欧、美、中专利授权，在本领域顶尖杂志Nature(封面文章)，Science，Nature Materials， Nature Chemistry，Nature Water，Science Advances，Nature Communications，Materials Today，Advanced Materials，PRL，JACS等专业杂志上发表论文480余篇，引用4万9千余次(Google Scholar)。

个人主页:

https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

《Advanced Bionics》期刊投稿网址：https://www.editorialmanager.com/abs/Default.aspx

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入 QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源

洞察

“ 机器学习能够分析大量的制造过程数据，识别出可能导致缺陷的参数组合和工艺条件，并提前进行调整和优化，从而有效减少未熔合、孔隙、颗粒夹杂等缺陷的发生，提高产品的完整性和可靠性。”

优化激光粉末床熔融技术制备 Ti-6Al-4V 合金的工艺及热处理参数，对于生产出兼具高强度和高延展性的 Ti-6Al-4V 合金至关重要，这是满足其在各种应用中性能需求的关键。然而，由于强度和延展性之间存在着固有的权衡关系，传统的试错法效率低下。在此，研究人员提出了一种帕累托主动学习框架，并结合针对性的实验验证，以高效探索由 296 个候选参数构成的庞大参数空间，精准确定能够同时提高强度和延展性的最优参数。

与先前研究中的 Ti-6Al-4V 合金相比，使用这些精准确定的参数所制备的所有 Ti-6Al-4V 合金，在相似强度水平下展现出更高的延展性，在相似延展性水平下展现出更高的强度。通过在不显著牺牲一种性能的前提下提升另一种性能，该框架证明了其在克服固有权衡关系方面的有效性。最终，成功制备出了极限抗拉强度达到 1190 MPa、总延伸率达到 16.5% 的 Ti-6Al-4V 合金。所提出的这一框架简化了最优加工参数的发现过程，有望加速高性能合金的开发进程。

主要作者：Jeong Ah Lee，Seungchul Lee*，Hyoung Seop Kim*
第一单位：浦项科技大学（韩国）
发表期刊：nature communications
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56267-1

 研究背景

Ti-6Al-4V 合金凭借其高强度、出色的耐腐蚀性以及良好的生物相容性，在航空航天、医疗等众多关键领域有着广泛应用。然而，当前通过激光粉末床熔融，也就是 LPBF 技术制造的 Ti-6Al-4V 合金，却面临着棘手的难题。

该技术制造出的合金，通常呈现出高强度的针状 α’ 马氏体结构，可延展性却比较低，大概只有 8%。而后热处理，即 HT 手段，虽能在一定程度上提升合金的延展性，可代价却是牺牲强度。一直以来，依靠传统试错法去解决这一强度与延展性之间的矛盾，效率极为低下。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

不仅如此，在 LPBF 制造过程中，工艺参数的优化也极为复杂。像激光功率、扫描速度、体积能量密度，也就是 VED 等参数，都会对合金的微观结构，例如马氏体形态、β 晶粒尺寸产生显著影响。另外，热处理的温度和时间，同样会改变合金的相组成与晶粒尺寸。若采用传统实验方法，需要探索多达 296 种参数组合，这无疑是一项耗时又耗力的艰巨任务。

数据驱动的机器学习研究方法为这一困境带来了新的希望。机器学习，也就是 ML 技术，在材料科学领域已经展现出高效的预测能力。与传统依赖大量标注数据的 ML 不同，主动学习，Active Learning 技术通过迭代预测与实验验证的方式，能够大幅减少实验次数，精准定位到最优的参数组合。这一技术的出现，有望为增材制造 Ti-6Al-4V 合金的发展开辟新的道路。

Fig.1 Schematic of the overall flow

 研究方法

科研人员设计出 Pareto 主动学习框架，旨在突破传统单目标优化的局限，同时对极限抗拉强度，也就是 UTS，以及总延伸率，即 TE，进行优化。

该框架的具体流程是这样的：首先是数据准备阶段，科研人员依据 119 组历史实验数据，这些数据涵盖了激光粉末床熔融 LPBF 参数以及后热处理 条件，以此构建起初始标注集。与此同时，还设置了 296 组尚未探索的参数组合，作为候选集。

在代理模型选择方面，采用了高斯过程回归器，也就是 GPR，以此建立起工艺参数与力学性能之间的映射关系，进而预测那些未标注数据的 UTS 和 TE 值，以及相关的不确定性。

采集函数优化环节同样关键，研究人员使用期望超体积改进，简称 EHVI，作为采集函数。这样一来，就能优先挑选出那些可以最大化 Pareto 前沿超体积的参数组合，在探索高不确定性区域与开发高预测性能区域之间实现平衡。

迭代实验验证是整个框架的重要实践步骤。每一轮迭代都会挑选 2 组参数用于实验，实验完成后更新标注集，并重新训练模型。如此反复，直至 Pareto 前沿无法进一步扩展，整个过程共进行 5 轮迭代，开展 10 组实验。

在实验与表征方法上，研究人员使用 Concept Laser M2 设备打印 Ti – 6Al – 4V 试样。打印所涉及的参数范围较广，激光功率在 100 至 350W 之间，扫描速度处于 500 至 2000mm/s，热处理温度从 25°C 到 1050°C 不等，时间则是 0 至 2 小时。力学测试通过拉伸试验来测量 UTS 和 TE，并且每组参数都会重复 3 次，以此验证稳定性。微观结构分析采用电子背散射衍射，即 EBSD，以及 X 射线衍射，也就是 XRD，来表征 α 相形态、β 晶粒尺寸、织构强度以及滑移系激活概率。这一系列研究为增材制造 Ti – 6Al – 4V 合金开辟了新路径。

Fig. 2: Pairwise plot and distribution demonstrating correlations between five input parameters and two mechanical properties.

Fig.3 Overview of the Pareto active learning framework proposed in this study

在 α 相形态与 β 晶粒控制上，研究显示，当体积能量密度 VED 较低，也就是小于 50 J/mm³，并且扫描速度较高，超过 1500 mm/s 时，会促使细小的 α 板条形成，这些 α 板条厚度在 0.71 至 0.97μm 之间。大量细小 α 板条的出现，增加了晶界密度，进而有效提升了合金的强度。同时，中温热处理，在 595°C 这个温度下进行处理，能够很好地保留合金的细晶结构，避免 β 晶粒出现粗化现象。

织构与滑移系激活方面，当 VED 较高，大于 90 J/mm³ 时，(0001)α 织构强度会降低，这一变化促进了多滑移系的激活。具体来说，Schmid 因子大于 0.4 的区域占比能够达到 54.8%，从而显著提升了合金的延展性。

相组成优化同样有重要突破。595°C 的热处理能够促使 α’ 马氏体部分分解为 α + β 双相结构，通过这种微观结构的调整，成功实现了合金强度与塑性之间的平衡。这些关于微观结构机制的研究成果，为进一步提升 Ti – 6Al – 4V 合金性能提供了坚实的理论基础，也为增材制造技术的优化升级指明了方向。

Fig.4 Results of active learning iterations

 结论

1. 框架有效性验证

科研人员借助 Pareto 主动学习框架，通过 5 轮迭代，也就是 10 组实验，成功定位到了最优参数组合。

其中，EHVI 函数发挥了关键作用。它巧妙地在探索高不确定性区域与开发高预测性能区域之间寻找到了平衡，成功克服了长期以来困扰行业的强度 – 延展性权衡难题。

经过实验验证，利用该框架优化后的 Ti – 6Al – 4V 合金，其微观结构呈现出令人惊喜的特征。不仅具备高强度，体现为细晶结构以及较高的织构，同时还拥有高延展性，这得益于多滑移系的激活。这一突破性进展，为 Ti – 6Al – 4V 合金在航空航天、医疗等众多领域的更广泛应用，奠定了坚实基础。

Fig.5 Predicted UTS and TE values, and probability density function of selected combinations

2. 应用前景与扩展

在增材制造 Ti – 6Al – 4V 合金领域取得重大突破的 Pareto 主动学习框架，不仅在 Ti – 6Al – 4V 合金研究中成效显著，还具备推广性，能够拓展至其他多种合金体系。像镍基高温合金、铝合金等，都有望借助这一框架实现性能优化与提升。

尤为值得关注的是，该框架还支持多目标优化，除了强度和延展性，诸如疲劳寿命、耐腐蚀性等重要性能指标，都能通过这一框架进行同步优化。不仅如此，若将该方法与物理仿真手段，比如相场模拟、热力学计算相结合，预测精度还能得到进一步提升。

Fig.6 Microstructure analyses for strength evolution in 1-1, 2-1, 3-1, and 3-2 samples

文献来源：Lee, J.A., Park, J., Sagong, M.J. et al. Active learning framework to optimize process parameters for additive-manufactured Ti-6Al-4V with high strength and ductility. Nat Commun16, 931 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56267-1

来源
长三角G60激光联盟l

顶刊《nature communications》：基于主动学习框架的增材制造TC4工艺参数优化！

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入 QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源

洞察

“ 通过模拟熔池的热动力学行为，可以精确控制激光功率、扫描速度、粉末流量等参数，模拟可以帮助预测和避免打印过程中可能出现的缺陷，如气孔、未熔合、热应力等。”

 激光增材制造筒段
     内筋结构熔池热动力学行为

石新宇1,2历彦泽1,2陈铭源1,2顾冬冬1,2
1.南京航空航天大学材料科学与技术学院2.南京航空航天大学江苏省高性能构件激光增材制造工程实验室

摘要：

航空航天领域中筒体构件内部加强筋结构的设计与制造可为其实现轻量化及力学性能提升，结合内壁激光增材制造的复合制造技术能有效实现筒段内部复杂筋体结构成形及高度方向尺寸拓展。

本研究通过激光增材沉积Al Mg Sc Zr合金，在径向上对旋压成形的2219铝合金筒体内筋实现了增高，并开展了熔池热力学行为仿真分析与实验验证，研究了在倾斜筋体表面上的沉积过程中，工艺参数对熔池温度场、速度场、三维尺寸的影响规律，揭示了激光能量输入、入射粉流和热力学边界条件与熔体运动及熔池表面形貌演变的作用机制。

当激光功率由1 000 W增至1 600 W时，熔池三维尺寸定量(长1.298 mm、宽1.580 mm和深0.091 mm)持续增加至(长3.856 mm、宽3.556 mm和深0.725 mm)熔池长度增加27.18%(3.856 mm)；随传热方式转变及质量输入减小，沉积增长率逐渐减小(由60.92%减至27.14%)。熔体运动行为受马兰戈尼力与入射粉末冲击力的共同作用，长度方向质量输入作用于熔池前端，熔体向后运动；宽度方向上引起熔体回流。沉积方向上，熔池下半区表面熔体速率为0.021m/s且矢量为负，熔池表面凹陷；上半区表面速度分矢量为正(0.0057m/s)，熔池表面凸起，沉积材料在上半区偏聚。随基体表面倾角增大，激光能量密度下降，在倾角为30°时熔体热动力情况达到较为稳定的平衡状态；增加至45°时能量密度过低，熔体流动性降低，沉积效率与成形性降低。

 激光增材制造316L从单层到多层
     沉积的热行为模拟与实验研究

卢裕尔、孙文磊、钟荟玄、邹利、黎勇、张团
新疆大学智能制造现代产业学院(机械工程学院)

摘要：

基于ABAQUS软件构建激光金属沉积（laser metal deposition,LMD）316L不锈钢增材制造的有限元模型,采用生死单元和双椭球移动热源结合的方式进行数值模拟，研究单道单层LMD过程中的温度场以及不同工艺参数对温度场、不同区域特征点温度梯度的影响。

进一步探究了单道多层LMD过程中熔池的温度变化和各层之间的热循环规律。设计相关实验，验证数值模拟结果。

结果表明：降低扫描速度或提高激光功率，熔池作用范围会变大。激光功率对温度梯度影响更大，尤其是纵向温度梯度。随着LMD层数的增加，且由于往复扫描的工艺路径，温度梯度显著增加，因此成形零件容易发生弯曲变形。单道多层薄壁件的整体形貌进一步说明了LMD温度梯度模拟的准确性。

 基于机器学习的
     镁合金电弧增材制造工艺优化研究

郭灿1,2聂帅1张忠明1,2徐春杰1,2
1.西安理工大学材料科学与工程学院2.西安市先进镁合金增材制造与精确成形重点实验室

摘要：

电弧增材制造克服了传统铸锻技术制备镁合金的不足，是镁合金成形中的新技术。然而，镁合金电弧增材制造过程影响因素较多，工艺控制困难，且存在零件难以成形、易开裂、易产生内部缺陷等问题。为了解决镁合金电弧增材制造工艺控制困难的问题，采用实验结合机器学习的方法建立了工艺参数与试样宏观形貌之间的非线性关系，分析了不同工艺参数对成形质量的影响规律，确定最佳工艺参数范围为：基板温度160℃，送丝速度12.0～14.5 m/min，焊接速度8～11 mm/s，摆弧宽度8～10 mm。以AZ31镁合金丝材作为原材料，针对寻优工艺参数进行了单层和多层镁合金电弧增材制造实验。结果表明，该参数条件下熔宽为13.95 mm，熔高为3.28 mm，宽高比为4.25，接触角为42°，此时镁合金熔融丝材铺展性良好，且试样表面无不成形缺陷。

 机器学习在
     金属增材制造技术中的研究进展

操宇恒1,2陈超越1郭铠1胡涛1徐松哲1王江1任忠鸣1
1.上海大学材料科学与工程学院,省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室2.上海大学中欧工程技术学院

摘要：

增材制造广泛应用于医疗和航空航天等领域，但仍面临材料种类受限、零件质量和性能不稳定，以及工艺参数与力学性能间的复杂关系等挑战。作为人工智能的关键技术，机器学习具备识别数据中模式和趋势的优势，成为推动增材制造研究的重要工具。综述了机器学习在增材制造中的应用，包括模型参数选择、冶金缺陷与性能预测、原位监控及合金成分、工艺流程和几何结构优化，旨在为增材制造的过程控制与性能优化提供指导。

 一种面向空间增材制造的
     微重力环境地面模拟试验方法

贾磊、胡玉龙、施博洋
中国运载火箭技术研究院

摘要：

空间增材制造能够将产品全部或部分脱离传统地面制造模式，实现在轨制造或原位制造大型构件。然而，高真空、微重力等复杂特殊的环境使得空间增材制造与地面制造差异很大。为了确保空间增材制造设备的可用性和可靠性，需要在地面环境条件下对微重力环境进行有效模拟。为此，设计一种微重力场的增材制造地面环境模拟试验装置，并开展微重力环境试验研究，对空间增材制造成形工艺过程进行实际模拟与验证。

 选区激光熔化Al-Mg-Sc-Zr
     铝合金成形过程数值模拟

肖罡1,2,3张喜龙4项菲菲1郭鹏程1,3,4项忠珂1杨钦文3
1.江西科技学院人工智能学院/现代教育技术中心2.江西铜业技术研究院有限公司3.湖南大学机械与运载工程学院4.中南林业科技大学机械与智能制造工程学院

摘要：

基于Al-Mg-Sc-Zr合金粉末，建立了选区激光熔化(SLM)三维有限元模型，分析了Al-Mg-Sc-Zr合金的SLM成形过程，并进行了试验验证。结果表明：AM Modeler插件能够极大地缩短计算时间，效率提升57%。温度场中，基于AM Modeler插件模拟得到的最高温度比DFLUX用户子程序低365℃,比DFLUX用户子程序模拟结果低；应力场中，AM Modeler插件模拟的残余应力偏高，成形区域的最大残余应力比DFLUX用户子程序模拟结果高45 MPa。AM Modeler插件和DFLUX用户子程序模拟的熔池平均宽度分别为117.06和128.31μm,道次间平均搭接率分别为36.39%和45.15%。相同工艺参数下SLM试样的熔池平均宽度和熔池平均搭接率分别为136.11μm和40.75%。AM Modeler插件和DFLUX用户子程序模拟的熔池宽度与试验结果的偏差为14.0%和5.7%,搭接率与试验结果的分别偏差为10.7%和10.8%。通过DFLUX用户子程序进行Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金SLM成形模拟能获得更高的精度，但与AM Modeler插件相比其效率偏低。

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入 QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源