北理工实现米级钛合金单晶增材制造

IT时代网10月23日消息，北京理工大学机械与车辆学院教授刘长猛团队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，首次实现米级钛合金单晶增材制造，相关成果近日发表于《自然》。

单晶材料是航空发动机与燃气轮机、先进核能装置、半导体等领域的战略性基础材料。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，突破传统单晶尺寸受限、形状受限、材料范围窄、成本高的瓶颈。

增材制造过程中快速变化的温度梯度、高冷却速率和反复热循环，偏离经典单晶凝固理论通常采用的准稳态热场假设，杂晶控制与晶体取向的稳定保持成为核心挑战。研究团队提出深蹲脉冲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，可从多晶基板直接生长出高度达米级、直径达厘米级的单晶。团队还耦合单晶凝固与悬空熔池力学稳定性，建立力—凝固耦合理论模型及可打印相图，确定兼顾外延生长与结构稳定的工艺策略。

依托这一方法，团队首次实现无需模具、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，使单晶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。

以航空航天常用的 Ti-6Al-4V 钛合金为模型材料，制备出的钛合金单晶抗蠕变性能较锻件及增材制造多晶有量级式提升，改善幅度显著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，晶界消除与内部相组织协同作用改变了位错运动和孔洞形成动力学，即使在位错主导的蠕变条件下，晶界仍对宏观性能具有重要影响。

团队还成功制造出钨、钼、铌及钼铌合金单晶，验证该方法对多种难加工难熔金属的适用性。该技术基于丝材电弧制造平台，减少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。审稿人将这项工作评价为工业制造领域的重要里程碑。

注：本文配图由AI生成，文中包含AI辅助创作的内容。

编辑：林一舟