• 首次实现米级钛合金单晶3D打印！中国原创技术登上《Nature》 3D打印研究 2026-10-22 17:17 0 0 0 导读： 金属3D打印发展到今天，已经能够制造各种复杂零件。但有一类材料，想要通过3D打印制造出来，却一直非常困难，那就是单晶金属。 单晶材料广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高端装备，但传统制造方法通常需要专用模具和复杂的温度控制，制造大尺寸、复杂结构的单晶零件尤其困难。 如今，中国科研团队取得了重要突破。 据资源库了解，北京理工大学刘长猛、清华大学崔一南联合团队，提出一种原创单晶3D打印新方法，首次实现米级钛合金单晶增材制造。 10月21日，相关成果发表于国际顶级学术期刊《Nature》，论文题为《Additive manufacturing of ultralong and architected single crystals》（超长及复杂构型单晶的增材制造）。 论文第一作者为北京理工大学机械与车辆学院教授刘长猛、清华大学航天航空学院副教授崔一南、清华大学航天航空学院博士后王嘉琛（现就职于南京师范大学）及北京理工大学机械与车辆学院博士生韩骁。通讯作者为北京理工大学刘长猛、清华大学崔一南及美国加州大学洛杉矶分校Yinmin Morris Wang。 01为什么单晶这么难打印？ 首先，需要了解什么是单晶。 普通金属通常由许多取向不同的微小晶粒组成，就像无数块拼图拼在一起。而单晶材料的晶体取向能够在整体上保持一致，没有普通多晶材料中大量的晶粒边界。 这种特殊结构，使单晶材料在特定条件下能够获得更好的高温性能。 但要制造单晶，并不容易。 传统单晶制造往往需要籽晶、模具以及稳定的凝固环境。而金属3D打印过程中，材料不断被加热、熔化和冷却，很容易出现新的杂晶，导致单晶生长中断。 简单来说，就是金属可以一层层打印上去，但要让晶体始终朝同一个方向生长，难度非常大。 为了解决这个问题，刘长猛团队提出了一种被称为“深蹲脉冲”的热输入控制方法。 通过让热输入有节奏地强弱变化，调节熔池的熔化和凝固过程，使晶体能够在不断变化的温度条件下稳定生长。 最终，团队无需预制单晶籽晶，就能直接从普通多晶基板上生长出高度达到米级、直径达到厘米级的钛合金单晶。 02不只是打印得长，还能打印复杂结构 过去制造单晶，除了尺寸受限，形状也是一大难题。尤其是那些弯曲、悬空的复杂结构，传统单晶制造工艺很难实现。 而这次，研究团队通过同时控制金属凝固过程和熔池稳定性，成功打印出了由弯曲单晶杆件组成的复杂点阵结构。 整个过程不需要专用模具，也不需要额外支撑。 这意味着，单晶材料不再只能做成相对简单的形状，未来有望像普通3D打印零件一样，根据实际需求设计复杂结构。 更重要的是，性能也获得了明显提升。 团队以常见的Ti-6Al-4V钛合金为对象进行测试，发现新方法制造的单晶，其抗蠕变性能相比传统锻件及增材制造多晶材料实现了数量级的改善。 所谓蠕变，就是金属在一定温度和持续受力条件下，随着时间逐渐发生不可恢复的变形。 对于需要长期承受载荷的高端装备来说，提高抗蠕变能力具有重要意义。 03不只有钛合金，制造成本也有望降低 这项技术还有一个值得关注的地方：不局限于钛合金。 研究团队还成功制造出了钨、钼、铌及钼铌合金单晶。这些金属熔点高、加工难度大，在先进核能、深空探测等领域具有潜在应用价值。 与此同时，新方法采用的是丝材电弧增材制造平台。 相比传统单晶制造，它减少了对专用模具及复杂精密控温设备的依赖；相比金属粉末3D打印，丝材通常也具有一定的原料成本优势。 这为未来降低单晶制造成本、扩大制造尺寸提供了新的可能。 写在最后 从米级钛合金单晶，到无需模具和支撑的复杂结构，再到钨、钼等难熔金属，这项研究突破了传统单晶制造在尺寸、形状和材料方面的多项限制。 但在资源库看来，这项研究还有一层重要意义。 过去，金属3D打印更多解决的是如何把复杂零件制造出来，而这次研究进一步探索了如何通过3D打印直接控制晶体生长，获得性能更好的金属材料。 更值得关注的是，这是一项由中国科研团队提出的原创增材制造方法。 从跟随已有工艺，到探索新的制造原理，中国增材制造正在迈出重要一步。 声明：本文是 3D打印资源库网 原创文章，如需转载请注明出处，并链接回本站。如果希望被资源库报道，可 填写信息 告诉我们。如对文章有异议或投诉，请联系kefu@3dzyk.cn。 标签： Nature 上一篇 它来了！比PETG更抗摔，比TPU更好打：Polymaker G-Flex PETG测评 下一篇 没有了 3D打印研究 暂无简介 作者其他文章 首次实现米级钛合金单晶3D打印！中国原创技术登上《Nature》 2026-10-22
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