西北大学机械工程副教授孙涛及其合作者发表的新研究表明，在激光增材制造过程中，决定晶粒结构形成的不仅是冷却速率和温度梯度，液态金属的原子级排列同样起着关键作用。该研究成果以"Operando X-ray scattering reveals ordering-mediated solidification in additive manufacturing"（原位X射线散射揭示增材制造中的有序介导凝固）为题发表在《自然·通讯》上，为预测和控制打印金属部件微观结构提供了新的原子尺度调控手段。
金属凝固中的盲点
激光粉末床熔融及其他激光增材制造工艺已能生产用于航空航天、医疗和能源领域的高级部件，但复杂合金中形成的微观结构仍然难以预测，这成为激光增材制造在最安全关键应用中使用的障碍。材料科学家传统上围绕两个变量对凝固行为进行建模：冷却速率和液固界面的温度梯度。孙涛团队与合作者林高、Kyle Mumm、任忠书等人，着手测试经典模型完全忽略的一个因素：熔融金属在开始凝固之前的原子结构排列本身。
通过操作X射线对分布函数测量，揭示了激光增材制造中熔池的原子结构和有序化介导的凝固过程。图片来源：西北大学。
X射线揭示的真相
散射数据显示，熔融金属并不是通常假设的均匀、无结构的液体。相反，它包含具有短程和中程有序性的有组织原子团簇，包括二十面体团簇排列。随着凝固进行，这些团簇中的一部分被选择性消耗并重组为小尺寸孪晶原子结构，而非形成大的有序晶体。该路径产生异常细小的晶粒和独特的内部边界，团队将其直接关联到异常柱状晶到等轴晶转变（CET）——这一现象在打印金属中早已被观察到，但此前从未追溯到特定的原子尺度机制。"通过揭示不寻常晶粒结构形成的原因以及如何控制它们，这项研究有助于消除在日常技术中使用金属3D打印的关键障碍，"孙涛表示。"在原子层面理解金属如何凝固，使工程师能够设计出更轻、更坚韧、更耐用的零件，同时减少浪费、能耗、试错测试和代价高昂的失败。更广泛地说，我们的研究展示了前沿科学如何可能转化为制造业的实际改进。"
从观察到实时控制
目前的直接贡献是诊断性的：直接证据表明液态原子结构塑造了凝固路径，这是在活跃熔池内部实时观察到的，而非从成品微观结构推断得出。但孙涛团队将这一成果定位为两项后续工作的基础。其一是通过基于实测液态原子结构而非关于无特征熔体的假设来改进预测模型。其二是更长期的：开发实时监控和反馈控制系统，能够在打印过程中调整参数以引导晶粒形成。"如果实现，我们就可以可靠地制造出具有预先设计性能的零件，"孙涛说。在工艺控制方面，孙涛团队现在正致力于通过合金成分和打印参数作为调控杠杆，精细调整金属在粗大柱状晶与更细小均匀分布晶粒之间的转变方式。与此同时，在数据方面，团队希望不再依赖预设熔体中原子排列的模型，而是直接从X射线测量中重建实际的原子结构。
局限与挑战
即便新机制已被确定，研究仍存在局限性。拟合方法具有固有不确定性，小盒PDF拟合需要预先选择结构基元，作者指出这在原位数据中风险更大，因为峰值指纹不够清晰。他们的分子动力学模拟也仅限于三种主要元素（Ni、Fe、Cr），因为不存在针对完整合金的原子间势，且数据中出现的罕见五重孪晶团簇簇是其提出的双晶粒孪晶模型无法完全解释的。研究范围也有边界：所有测量均来自单道沉积，虽然单独的块体样品证实了相同的转变跨层发生，但块体区域略小，作者将其归因于单道与块体构建之间熔池几何形状和热历史的差异。合金化学成分的作用也尚未解决，他们的数据不支持铌作为驱动因素（如先前研究表明），但无法排除更微妙的成分效应。该研究获得了美国国家科学基金会DMR-2427686奖项的资助，任忠书的贡献通过布鲁克海文国家实验室NSLS-II的18-ID (FXI)光束线获得额外支持。
基于单道打印的Inconel 718线激光定向能量沉积（DED）3D加工图。图片来源：西北大学。
超越G-R模型的晶粒控制
孙涛的发现直击金属增材制造中一个真正的空白：工程师长期依赖冷却速率和温度梯度（经典的"G-R"框架）来预测晶粒形成，将熔融金属视为无差别液体。通过证明熔池内部原子尺度有序性本身引导柱状晶与等轴晶的生长，该研究将微观结构重新定位为植根于液态物理，而不仅仅是工艺参数，为通过调整合金成分或激光条件直接塑造晶粒结构开辟了道路。更广泛的领域正从其他角度围绕同一目标展开研究。弗劳恩霍夫协会和RMIT大学通过最近结束的UltraGRAIN项目，致力于在激光定向能量沉积过程中调整晶粒结构，而非接受工艺自然产生的结果，此前RMIT已证明高强度超声波可以将柱状晶细化为细小等轴晶。
另外，曼彻斯特大学2026年6月发表的一项研究发现，熔融金属沉积中喷嘴温度仅几度的变化就能重塑铝部件的内部微观结构和缺陷形成，进一步印证了晶粒结果对大多数工艺图忽略的条件有多么敏感。这些努力共同指向孙涛团队从不同仪器出发得出的相同结论：金属增材制造中的几何问题已基本解决，但微观结构控制仍然依赖于该领域才刚刚开始直接测量的物理机制。
来源：中国3D打印网编译文章！
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