近日，香港城市大学吕坚院士团队联合天津大学何春年教授团队在Nature Materials发表题为“Sub-10-nm stacking bands enable ultrastrong additively manufactured titanium”的研究论文。香港城市大学博士后白翔仁、华东鹏和栾亨伟为论文共同第一作者，天津大学何春年教授和香港城市大学吕坚院士为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家自然科学基金委员会与香港研究资助局联合科研资助项目（9054050 / N_CityU151/23）等项目的支持。

研究将高通量实验、机器学习与激光粉末床熔融增材制造相结合，在Ti-Al-Cr合金的α′纳米马氏体内部构筑了特征厚度小于10 nm的HCP晶体超纳异堆垛带，并以其为基本结构基元，形成在整个块体构件中充分发育的层级纳米马氏体组织。代表性Ti-7.5Al-3.3Cr合金的屈服强度约1.5 GPa，抗拉强度约1.7 GPa，同时保持7.5%的均匀延伸率。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41563-026-02749-6

 引言

金属3D打印不仅能够成形复杂构件，其快速凝固和远离平衡态的热过程，也为新成分和新组织的探索提供了更多可能。以激光粉末床熔融（LPBF）为例，金属粉末经历快速熔化、凝固以及反复热循环，可产生传统冶金过程难以达到的巨大温度梯度和极高冷却速率。这些远离平衡态的条件，不仅有利于形成超细晶、亚稳相和纳米尺度结构，也能够突破传统铸造过程中偏析、固溶度和成形性的限制，为新成分和新组织的探索打开更大的空间。

但空间越大，设计也越困难。合金成分与激光功率、扫描速度等工艺参数相互耦合，使增材制造合金面对一个庞大的“成分-工艺”搜索空间。机器学习因此成为近年来材料设计的重要工具，可以从已有数据中建立成分、工艺与性能之间的联系，再对大量候选组合进行快速预测。

机器学习首先需要可靠的数据。现有增材制造研究虽然数量众多，但不同研究之间的设备、原料粉末、工艺参数和测试条件存在差异，直接汇总往往会带来明显的数据噪声和不一致性；另外，对于过去很少探索的新成分区域，可供模型学习的数据则更加有限。因此，限制机器学习用于新合金发现的一个关键问题，是如何获得数量足够且内部一致的高质量实验数据。

针对这一问题，本研究提出了一种通用范式：先通过高通量实验主动生成可靠数据，再利用机器学习扩大搜索范围。

 高通量实验与机器学习协同筛选

研究以Ti-Al-Cr为模型体系，在统一的LPBF制备和测试条件下，系统改变Al、Cr含量以及激光功率和扫描速度，共获得118组不同成分-工艺组合的实验数据。标准化实验减少了不同数据来源造成的噪声和不一致，为后续机器学习提供了可靠基础。

在此基础上，研究采用机器学习建立成分、工艺与力学性能之间的关系，并进一步对38,052种虚拟成分-工艺组合进行预测，从中筛选高强度候选区域，再重新回到实验进行验证。筛选出的高性能成分已经超出了传统铸造和变形钛合金长期使用的常规成分范围。

图1 高通量实验-机器学习驱动的增材制造Ti-Al-Cr合金筛选

 超纳异堆垛带结构

进一步表征发现，代表性Ti-7.5Al-3.3Cr合金主要由厚度约75 nm的α′马氏体板条组成，而在这些纳米马氏体内部，还密集分布着尺度更小的平行条带。原子分辨STEM显示，这些条带由HCP晶体内部不同的AB、BC和CA型原子堆垛序列组成。不同堆垛区域彼此相邻，并贯穿马氏体板条，构成了材料的基本结构基元。研究将这种特征尺度低于10 nm的结构称为超纳异堆垛带。APT还观察到与其空间尺度接近的Al、Cr层状成分起伏。MD模拟和不同冷却速率下的实验进一步表明，这一结构来源于LPBF快速冷却诱导的非平衡马氏体转变。

图2 钛合金纳米马氏体中的超纳异堆垛带及其形成

 力学性能与变形机制

Ti-7.5Al-3.3Cr合金获得1,501 MPa的屈服强度和1,726 MPa的抗拉强度，同时具有7.5%的均匀延伸率，并表现出明显的加工硬化。此外，还表现出良好的高温强度。

图3 增材制造钛合金的力学性能

进一步的MD模拟和变形后显微组织表明，超纳异堆垛带通过堆垛界面展现出与位错特殊的相互作用。对于a型位错，异堆垛边界能够将长位错分割为亚10 nm短位错段并产生钉扎，从而增加了a型位错的滑移阻力；对于<a+c>型位错，这些界面又能够促进位错产生、增殖和多个滑移系活动，使位错形成更加分散的网络。这种“阻碍与持续激活并存”的位错行为，使材料在获得高强度的同时仍能持续储存位错和加工硬化。

图4 超纳异堆垛带与位错的相互作用

 小结

本研究从增材制造合金设计中的数据问题出发，通过高通量实验在统一条件下主动建立可靠数据库，再利用机器学习扩大成分-工艺搜索空间，最终发现传统钛合金设计范围之外的高性能成分，并利用LPBF快速非平衡过程构筑出HCP晶体中的超纳异堆垛带。

这一工作也延续了吕坚院士团队对超纳结构材料的长期探索。从此前双相超纳结构（Nature 2017）和超纳有序结构（Science 2025），到本工作中利用HCP晶体内部不同原子堆垛构筑超纳异堆垛带，揭示了超纳结构对于结构金属材料的重要作用。

通讯作者简介

何春年教授（通讯作者），天津大学讲席教授，材料学院院长，博导，国家杰青，天津大学材料学院学术委员会主任，校学术委员会委员，贵金属功能材料全国重点实验室（天津）主任。长期从事高强耐热与高强高导金属及复合材料的设计制备与应用研究，主持国家重点研发计划项目、国自然重点基金等项目10余项，以第一或通讯作者在Nat. Mater., Nat. Energy., Prog. Mater. Sci., Nat. Commun., Adv. Mater., Acta Mater.等国际期刊发表论文150余篇，他引16000余次，单篇最高他引900余次，出版专著2部，获授权发明专利20余项，获天津市自然科学一等奖2项，多项成果正在产业化。

吕坚教授（通讯作者），香港城市大学机械工程讲座教授、先进结构材料研究中心主任，法国国家技术科学院（NATF）院士（为该院首位华裔院士）、香港工程科学院（HKAES）院士、美国国家发明家科学院（NAI）院士，现任香港特别行政区创新、科技及再工业化委员会委员、香港材料研究会（HK-MRS）理事长、香港发明创新总会主席、国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心主任，并担任世界新能源汽车大会科技委员会委员等职。主要从事先进结构纳米材料、生物与仿生材料、先进材料集成设计及3D/4D打印材料与工艺研究。在Nature、Science、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Water、Nature Communications、Science Advances、PNAS、Advanced Materials、Materials Today、PRL等期刊发表论文650余篇，被引6万余次，H-index 112，获授权欧、美、中发明专利89项。2025年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。曾获法国国家荣誉骑士勋章及中国工程院光华工程科技奖等荣誉。

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近日，上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所团队提出了一种仿生表面分级Gyroid三周期极小曲面（TPMS）超结构设计策略。研究将二维三角形和六边形蜂窝拓扑映射至 Gyroid 曲面，通过调节表面特征的类型、数量及空间排布，协同控制局部变形与整体塌缩顺序，实现逐层及层间交错的多阶段吸能。

相关成果以“Additively manufactured surface-hierarchical gyroid triply periodic minimal surface with high dynamic energy-absorption”为题，发表于国际学术期刊《Thin-Walled Structures》（中科院力学一区，IF=8.3）。上海交通大学博士生任芃源为第一作者，王洪泽和高振洋为共同通讯作者。共同作者包括王浩伟、吴一、唐梓珏、孙华、王茂松等。

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.tws.2026.115740

轻量化吸能结构在航空航天、交通运输和防护装备等领域具有重要应用价值。面对外部载荷，结构能否持续、稳定地吸收能量，不仅取决于材料本身，也与内部几何形态和变形方式密切相关。如何让不同区域有序参与变形，避免局部过早压实，是提升吸能性能的重要问题。

传统TPMS设计主要通过调整孔隙率、壁厚或单胞排列改善性能。研究团队进一步借鉴天然蜂窝与竹秆的结构特征，将六边形和三角形蜂窝网络引入 Gyroid 曲面，分别构建HG-TPMS（六边形蜂窝表面分级Gyroid）和TG-TPMS（三角形蜂窝表面分级Gyroid），并通过改变单胞上的蜂窝特征数量（图片），调节结构密度与力学响应（{ REF _Ref243571394 \h |图 1}{ REF _Ref243571395 \h |图 2}）。

图 { SEQ 图 \* ARABIC |1} 仿生表面分级Gyroid超结构的设计思路

图 { SEQ 图 \* ARABIC |2} （a）TG-TPMS与HG-TPMS点阵结构的生成过程，其中，常数 a 表示单胞尺寸；（b）具有不同单胞表面特征数量的TG-TPMS点阵结构；（c）具有不同单胞表面特征。数量的HG-TPMS点阵结构。图中数字表示每个单胞上集成的蜂窝分级数量（图片）。

研究采用柔性光敏树脂（Formlabs® Flexible 80A resin），通过立体光固化增材制造技术制备试样，并结合不同加载速度下的压缩实验、循环加载实验及有限元分析，考察表面拓扑与变形行为之间的关系。

实验与模拟表明，传统 Gyroid 结构在压缩过程中容易形成局部塌缩和应力集中区域，部分区域提前压实，限制后续可用于吸能的变形空间。引入表面分级设计后，应力能够沿蜂窝网络重新分配，结构的变形方式随之改变。三角形表面网络有利于形成较强的承载骨架，在压缩过程中表现出较明显的局部屈曲；六边形表面网络则更有利于局部弯曲和渐进折叠，使变形更加分散，延缓大范围致密化。有限元应力分布与实验变形形貌相互印证，显示表面网络能够改变载荷传递和局部塌缩路径（{ REF _Ref243571403 \h |图 3}）。在25 mm/s的压缩速度下，与传统 Gyroid 结构相比，所研究三角形表面分级结构的归一化强度最高提升约44%；六边形表面分级结构的归一化吸能效率提升约20.4%—26.0%。归一化强度考虑了密度因素，反映结构在轻量化条件下的承载能力。

图 { SEQ 图 \* ARABIC |3} 传统 Gyroid 与两类表面分级结构的应力分布及实验变形对比。

在明确两类表面拓扑的力学差异后，研究团队进一步通过空间排布设计，将单胞层面的性能差异转化为整体结构的有序变形。首先，沿高度方向改变表面特征数量，构建具有层间力学差异的梯度结构。压缩时，较低强度层优先变形，随后其他层逐步参与，使塌缩过程沿预设顺序推进。

在此基础上，研究将三角形与六边形表面分级单胞组合，构建复合多层级结构（{ REF _Ref243571418\h |图4}）。实验观察到，变形首先在预设的较低强度六边形单胞区域启动，再向相邻层及三角形单胞区域扩展，形成层间交错的多阶段塌缩路径（{ REF_Ref243571422\h |图5}，见视频1）。

这种设计使不同区域在不同阶段参与承载和吸能，有助于协调局部柔顺性与整体稳定性，延长应力平台阶段。各区域通过连续几何过渡实现连接，并采用一体化打印制备。

图 { SEQ 图 \* ARABIC |4} 复合多层级Gyroid结构设计

图 { SEQ 图 \* ARABIC |5} 复合多层级Gyroid结构层间交错坍塌的压缩过程

对于需要反复承受载荷的缓冲结构，单次吸能能力之外，循环过程中的性能保持同样重要。研究团队进一步开展了循环动态压缩实验，考察结构耗能衰减与损伤演化。

结果显示，各类结构的耗能均经历初期较快下降、随后逐渐趋于稳定的过程。与传统 Gyroid 结构相比，表面分级设计减轻了早期性能衰减，并提高了循环后的耗能水平。在25 mm/s加载条件下，表面分级结构在20次循环后保留的耗散能量最高提升约47.6%。循环耗能保持与衰减参数的对比见{ REF _Ref243572673 \h |图 6}。循环后的形貌观察表明，传统 Gyroid 试样出现了可见表面裂纹，而表面分级试样在相同加载程序下未观察到可见裂纹。这与局部变形方式的改变相呼应：分散的弯曲和屈曲变形有助于减轻集中压实及局部损伤积累。

图 { SEQ 图 \* ARABIC |6} 循环压缩后的耗能保持与衰减参数对比

为进一步评价该策略，研究团队制备了BCC、FCC、Tesseract、Octet-truss及Vintiles等典型杆系点阵，以及Gyroid、Primitive、IWP和Neovius等传统TPMS结构作为对照。所有对比试样采用相同材料和打印参数，并在25 mm/s加载速度下进行测试。

在相近有效密度下，相较于所测试的传统杆系点阵，表面分级 Gyroid 结构的比吸能、归一化强度及20次循环后保留的归一化耗散能量，最高分别提升686%、566%和478%；相较于所测试的传统TPMS结构，对应指标最高分别提升134.5%、174.0%和108.8%。

不同结构的性能对比见{ REF _Ref243573725 \h |图 7}。上述数值分别对应研究密度范围及对照结构集合中的最佳提升结果，体现了表面分级设计在轻量化承载、吸能和循环耗能方面的潜力。

图 { SEQ 图 \* ARABIC |7} 不同结构的比吸能、归一化强度及循环后归一化耗散能量对比

这项研究将TPMS的连续曲面拓展为可主动调控力学响应的设计空间，建立了从仿生表面拓扑、局部变形机制到整体塌缩路径的设计思路。通过调节不同单胞的力学特征及空间组合，结构能够实现分阶段、渐进式吸能，为面向缓冲防护需求的轻量化超结构提供新的研究依据。

该工作得到国家自然科学基金（52441503、52305391、52305490）、上海市自然科学基金（25ZR1402248）、安徽省高校协同创新项目（GXXT-2023-029）等项目支持，并得到上海交通大学与宁德时代新能源电池9σ联合研究项目的部分支持。

课题组介绍

上海交通大学材料学院特种材料研究所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟讲席教授任负责人。研究所主要从事新型特种材料的设计、制备及其成形技术研究，支撑了多项国家重大工程需求，在航空航天和汽车轨交等多领域获得广泛应用。多年来承担国防重点攻关项目、重点研发计划、民机预研、民用航天预研、国家自然科学基金及国际合作项目等五十余项。在国内外学术刊物上发表学术研究论文近300篇，获授权中国国家发明专利100余项。先后获得教育部技术发明一等奖、上海市技术发明一等奖及中国有色金属工业技术发明一等奖。研究所秉承“创新创造、科研报国”的精神，胸怀祖国、服务社会，面向世界科技前沿、面向国家重大需求，砥砺前行、勇攀高峰。

团队现长期诚聘激光增材制造/激光成形工艺和装备，增材制造材料表征（微观组织、力学性能、疲劳），增材制造过程同步辐射成像、增材制造超结构等方向博士后。

联系人：王洪泽 (hz.wang@sjtu.edu.cn)

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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。刘长猛团队聚焦增材制造微熔池冶金学，十年攻关探索单晶制造新方法，首次实现工业级金属单晶增材制造，突破尺寸、结构、材料与成本四大瓶颈，作为我国原创金属增材制造新方法发表在《Nature》, 开拓增材制造发展新赛道。

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“尺寸受限、形状受限、材料范围窄、成本高”的瓶颈，实现米级、复杂构型、跨材料体系、低成本单晶制造。

研究团队所发表的论文题为“Additive manufacturing ultralong and architected single crystals”。该工作的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)、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、加州大学洛杉矶分校Yinmin Morris Wang。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-11185-0

Nature期刊同步配发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）

 理论突破
     强非平衡场下的无籽晶
     无杂晶单晶稳定生长

增材制造快速变化的温度梯度、高冷却速率和反复热循环等热条件，偏离经典单晶凝固理论通常采用的准稳态热场假设，使杂晶控制、晶体取向的稳定保持成为核心挑战。

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，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
     耦合力学与凝固学实现无模具
     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。

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

以航空航天常用的Ti-6Al-4V 钛合金为模型材料，研究团队展示了增材制造单晶极致性能。制备钛合金单晶的抗蠕变性能较锻件及增材制造多晶有量级式的提升，且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揭示，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。研究发现，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，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”。

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。

以上转载自：北京理工大学

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动力电池铝合金连接需要在保证熔深的同时尽量减少飞溅，以降低金属颗粒污染和焊缝成形不稳定带来的风险。然而，铝对近红外激光的冷态吸收率较低，维持深熔匙孔通常需要较高功率密度，容易引发匙孔波动和熔体喷射。点环光束与空间摆动能够改善能量分布，但当光束反复跨越固液边界时，作用条件仍会快速变化。如何让摆动焊接过程保持稳定，并抑制大颗粒飞溅，是这项研究关注的核心问题。

针对这一问题，上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所团队联合四川大学、慕尼黑工业大学等单位，提出点环红外摆动与大光斑蓝光协同的三光束焊接策略，并结合高速成像、飞溅采集统计及数值模拟，研究蓝光对熔池和匙孔稳定性的影响。

研究成果以“Spatter suppression in deep-penetration laser welding of 1060 aluminum alloy with a core-ring infrared and blue triple-beam strategy” 为题，发表于Journal of Materials Processing Technology。

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2026.119518

 研究内容

为使红外光束在稳定液态区域内工作，研究采用上板1.5mm、下板3.0mm的1060铝搭接结构，将1064nm点环红外光束与455nm蓝光同轴耦合。核环红外光束在内部执行高频螺旋摆动，大光斑蓝光沿焊接中心线同步移动，蓝光中心与红外摆动中心保持对齐（图2）。红外光束承担深熔作用，蓝光则利用较高吸收率预热、预熔并扩展液态区域，使红外匙孔尽可能在已熔化的区域内运动。

图2 核环红外与蓝光三光束实验平台、摆动策略及飞溅采集方式。原论文图1。

在优化后的三光束工况中，蓝光功率为2000W，焊接速度为130mm/s。研究团队通过32组连续焊接试验，结合每秒6000帧高速成像、实际飞溅颗粒采集和数值模拟，对焊缝几何、颗粒数量及尺寸分布进行比较，分析稳定化效果。该比较针对两套优化工艺，红外功率配置也随之调整，不能直接视为等总功率条件下仅增加蓝光的效果。

首先，从焊缝成形结果来看，加入蓝光后，熔池宽度增加，红外摆动区域获得更充分的液态覆盖。截面与统计结果显示，三光束工艺的平均熔宽由双光束基准的约1.83 mm增加至1.98 mm，平均熔深约为1.20 mm，熔深分布更加集中（图3）。这表明，多波长能量耦合能够在维持研究目标熔深的同时改善几何一致性，为后续抑制飞溅创造稳定的熔池环境。

图3 双光束与三光束工艺的焊缝截面及熔宽、熔深统计。原论文图5。

为解释这种稳定化效果，高速成像进一步揭示，双光束工艺的飞溅主要来自两类过程。在熔池前沿，红外光束直接作用于未熔固体，蒸气反冲压力推动熔体形成液柱，液柱颈缩、断裂后产生较大的近球形颗粒。在液态重熔及转换区域，匙孔几何和流动方向快速改变，容易发生多颗粒的瞬态喷射，形成速度较高的拉长状飞溅（图4）。因此，抑制飞溅既需要控制前沿液柱失稳，也需要减弱摆动过程中的匙孔剧烈变化。

图4 核环红外双光束工艺中的前沿液柱颈缩与重熔区域瞬态喷射。原论文图6。

三光束工艺中，大光斑蓝光将原本的冷态前沿转变为预熔液态区，明显抑制了前沿大颗粒飞溅。高速图像显示，在对应的前沿观察时段未检测到飞溅喷射，残余微小颗粒主要集中于部分转换位置，并呈现向焊缝后方运动的趋势（图5）。这说明，蓝光的作用与其空间覆盖有关：通过改变红外激光作用位置的初始相态，降低固液条件反复切换带来的不稳定性。

图5 三光束工艺中前沿飞溅抑制及残余颗粒的局部运动行为。原论文图7。

飞溅采集统计进一步验证了上述观察。在论文给出的对比统计中，飞溅数量由284个降至110个，降低61.3%；总飞溅质量由19.8mg降至0.65mg，降低约97%。双光束基准工艺中，直径大于200 μm的颗粒贡献了约95%的飞溅总质量，而三光束测试样品中未检测到该尺寸以上颗粒（图6）。数量与质量的降幅并不相同，反映出三光束工艺对大颗粒飞溅的显著抑制作用。

图6 双光束与三光束工艺的飞溅尺寸、数量与总质量对比。原论文图10。

数值模拟进一步提供了机制解释。蓝光预熔和热缓冲使匙孔在更稳定的液态环境中运动，同时促使其形成柱状主体和较宽的上部开口，为金属蒸气释放提供更连续的通道。模型中匙孔深度变化率的峰值由0.914m/s降至0.198m/s，降幅约为78%，表明匙孔深浅突变受到抑制，有助于减弱压力波动及熔体喷射（图7）。匙孔内部动力学的解释主要来自模拟，高速摄影提供熔池表面及飞溅行为的实验支持。

图7 三光束工艺的匙孔形貌模拟及双光束、三光束匙孔深度与深度变化率的定量比较。原论文图18。

结合实验与模拟结果，研究团队归纳了两类工艺的飞溅形成与抑制机制（图8）：蓝光预熔减少红外摆动过程中的固液作用条件切换，较宽的匙孔开口则改善蒸气释放，两者共同减弱液柱颈缩和瞬态喷射。

图8 双光束飞溅形成机制与三光束预熔、稳孔抑溅机制示意。原论文图20。

 结论

研究表明，在所测试的1060铝搭接条件下，点环红外与蓝光三光束工艺能够在保持约1.20mm平均熔深的同时，使飞溅总质量降低约97%、飞溅数量降低61.3%，且未检测到直径大于200μm的飞溅颗粒。蓝光预熔扩大了稳定液态区域，减弱固液作用条件切换，并改善匙孔蒸气释放，从而抑制大颗粒飞溅与瞬态喷射。

这项工作的工程启示是，红蓝复合焊接需要同时优化能量分配、摆动轨迹与预熔区域的空间匹配，让高功率密度红外光束尽可能在稳定液态区域内工作。研究为动力电池铝连接的低飞溅工艺开发提供了依据，后续可结合不同材料、板厚和生产节拍，进一步验证接头强度、电阻及长期可靠性。

博士生钱雨涵为论文第一作者，王洪泽和唐梓珏为共同通讯作者。

研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、安徽省高校协同创新项目及汕头大学智能制造技术教育部重点实验室等支持。

论文信息：Journal of Materials Processing Technology，357（2026），119518；2026年9月17日在线发表。

课题组介绍

上海交通大学材料学院特种材料研究所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟讲席教授任负责人。研究所主要从事新型特种材料的设计、制备及其成形技术研究，支撑了多项国家重大工程需求，在航空航天和汽车轨交等多领域获得广泛应用。多年来承担国防重点攻关项目、重点研发计划、民机预研、民用航天预研、国家自然科学基金及国际合作项目等五十余项。在国内外学术刊物上发表学术研究论文近300篇，获授权中国国家发明专利100余项。先后获得教育部技术发明一等奖、上海市技术发明一等奖及中国有色金属工业技术发明一等奖。研究所秉承“创新创造、科研报国”的精神，胸怀祖国、服务社会，面向世界科技前沿、面向国家重大需求，砥砺前行、勇攀高峰。

团队现长期诚聘激光增材制造/激光成形工艺和装备，增材制造材料表征（微观组织、力学性能、疲劳），增材制造过程同步辐射成像、增材制造超结构等方向博士后。

联系人：王洪泽 (hz.wang@sjtu.edu.cn)

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近日，上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所团队联合英国伦敦大学学院、加拿大多伦多大学及中国科学院上海高等研究院等单位，在异质金属激光搭接焊界面演化与气孔形成机制研究方面取得新进展。

相关成果以“Mechanisms of melt-pool interfacial evolution and pore formation in dissimilar-metal laser lap welding revealed by high-speed synchrotron X-ray imaging”为题，发表于国际学术期刊 International Journal of Machine Tools and Manufacture（DOI：10.1016/j.ijmachtools.2026.104456）。上海交通大学钱雨涵（博士研究生）为论文第一作者，王洪泽和唐梓珏为共同通讯作者。共同作者包括上海交通大学吴一、范贤强、王浩伟，中国科学院上海高等研究院付亚楠，多伦多大学Yu Zou，以及英国伦敦大学学院Chu Lun Alex Leung等。

异质金属焊接中，金属间化合物界面层的形成与内部气孔密切相关，但焊后表征难以还原其动态演化过程：在激光持续作用的熔池中，这层界面如何生长，又怎样改变气泡的迁移与逃逸？研究团队利用高速同步辐射X射线成像，直接追踪界面层与匙孔的相互作用，揭示了上下熔池间歇连通引发气泡捕获的机制，为异质金属激光制造缺陷控制提供了新的研究依据。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2026.104456

 文章介绍

异质金属激光焊接能够将不同材料的性能优势结合起来，在新能源汽车、航空航天等领域具有重要应用价值。然而，不同金属的熔点、导热能力和冶金相容性差异较大，焊接过程中容易形成金属间化合物和内部气孔，影响接头质量。现有焊后组织表征能够识别界面反应层的组成与形貌，数值模拟则有助于解释热量和熔体输运，但在快速变化的真实熔池中，界面层何时形成、怎样被扰动，以及如何改变气泡逃逸路径，仍需要直接的动态证据。

针对这一问题，研究团队优化了白光束能谱与成像配置，兼顾富铁区域的 X 射线穿透能力、异质界面对比和时间分辨率，以每秒8000帧记录焊接内部过程，并结合焊后扫描电镜、电子背散射衍射、三维X射线显微断层扫描及计算流体动力学分析，建立界面演化与最终缺陷之间的联系。

原位观察发现，在激光持续作用期间，Fe–Al界面可形成富含金属间化合物的固态层，将上部富铁液态熔池与下部铝液态熔池分隔，构成液—固—液分层结构。该层在熔池边界持续生长，并经历局部熔化和形态变化（图2，见视频1）。这一现象表明，在局部成分与温度条件适宜时，固态反应层能够与周围液体共存，并在焊接过程中直接参与熔池结构的演化。

图2 分层模式下的原位界面演化及液—固—液结构。

随着能量输入和匙孔状态变化，固态界面层会在局部被熔化、突破，上下熔池由相互分隔转为连通。研究据此识别出三种模式：界面层较连续、上下交换受限的分层模式，发生间歇局部连通的过渡模式，以及保持持续连通和跨界面混合的混合模式（图3，见视频2）。界面层的连续性及其被匙孔扰动的方式，决定了熔体能否跨越界面输运，也使气泡在不同模式下呈现出不同的迁移路径。

图3 匙孔突破金属间化合物界面层及熔池由分层向混合转变的过程。

焊后材料表征为界面层的物相与空间结构提供了进一步证据。扫描电镜揭示了不规则的金属间化合物界面层及局部针状组织，EBSD 确认界面细晶层主要为 Fe₂Al₅，其下方可见铝的柱状晶区域，与下层铝经历熔化后重新凝固的过程相一致。三维 X-CT 重构及截面对照进一步显示了界面层的连续性与起伏形貌，与原位观察相互印证（图4）。

图4 分层界面的焊后材料表征：SEM 形貌、EBSD 相分布与晶体取向、三维 X-CT 重构及截面对照。

其中，过渡模式表现出值得关注的气泡捕获行为。匙孔间歇突破将气泡带入下层铝熔池，气泡随后向后迁移，但残余固态界面层限制其向上逃逸，下层较弱的输运又使其难以及时返回连通区域。随着熔池凝固，未能逸出的气泡保留为气孔（图5）。这解释了为何局部连通并不必然有利于排气：气泡虽然能够进入下层，却未获得持续通向自由表面的输运路径。

图5 过渡模式下气泡向下注入、迁移及受阻捕获的原位图像与机制示意。

焊后三维 X-CT 与金相表征进一步显示，过渡模式试样的气孔主要分布于下层铝区域，并伴有散布的金属间化合物碎片。该试样提取的气孔直径约为40–300 μm，其空间位置与原位观察到的气泡注入及滞留过程相对应（图6，见视频3），为气泡捕获机制提供了相互印证的证据。

图6 过渡模式试样的三维气孔分布及 CT 切片、金相对照。

材料体系对这种界面行为同样具有重要影响。对比实验显示，Ti–Al 中也可观察到类似的分层界面与局部突破，而Cu–Al在所研究条件下未形成相同的液—固—液结构（图7）。相关金属间化合物与铝的特征温度关系，为固态反应层能否与下层液态铝共存提供了热学解释；实际结构还受到局部成分、传热和匙孔扰动的共同影响。

图7 Fe–Al、Ti–Al与Cu–Al体系的原位界面演化对比。

基于原位观测建立的模式分类，团队进一步结合激光功率、扫描速度、光斑尺寸及材料热物性，构建了物理引导的半经验Qc判据。通过一部分工况拟合模型系数与模式边界，并利用未参与拟合的工况检验分类结果，该判据在所研究的 Fe–Al、Ti–Al 薄板搭接条件下能够区分三种模式，为识别易发生气泡捕获的过渡区域提供参考。

该研究将界面反应的关注点由焊后金属间化合物层的组成与厚度，进一步拓展至其在焊接期间对熔池连通和气泡输运的动态作用，为异质金属焊接工艺窗口选择提供了机制依据。面向不同板厚和工程接头，仍需结合连接强度、熔合质量等要求开展进一步验证，逐步建立界面行为与接头服役性能之间的联系。

研究得到国家自然科学基金、国家科技重大专项、上海市自然科学基金、安徽省高校协同创新项目以及上海交通大学与宁德时代联合研发项目等支持。同步辐射实验依托上海光源BL16U2线站开展。

课题组介绍

上海交通大学材料学院特种材料研究所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟讲席教授任负责人。研究所主要从事新型特种材料的设计、制备及其成形技术研究，支撑了多项国家重大工程需求，在航空航天和汽车轨交等多领域获得广泛应用。多年来承担国防重点攻关项目、重点研发计划、民机预研、民用航天预研、国家自然科学基金及国际合作项目等五十余项。在国内外学术刊物上发表学术研究论文近300篇，获授权中国国家发明专利100余项。先后获得教育部技术发明一等奖、上海市技术发明一等奖及中国有色金属工业技术发明一等奖。研究所秉承“创新创造、科研报国”的精神，胸怀祖国、服务社会，面向世界科技前沿、面向国家重大需求，砥砺前行、勇攀高峰。

团队现长期诚聘激光增材制造/激光成形工艺和装备，增材制造材料表征（微观组织、力学性能、疲劳），增材制造过程同步辐射成像、增材制造超结构等方向博士后。

联系人：王洪泽 (hz.wang@sjtu.edu.cn)

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金属点阵结构因其轻质、高比强度、高比刚度、优异能量吸收能力、可调孔隙率和多功能集成潜力，已成为航空航天、生物医疗、汽车、能源等领域的研究热点。增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术——尤其是粉末床熔融中的选区激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）以及定向能量沉积中的激光近净成形（LENS）——为复杂金属点阵结构的可控制造提供了前所未有的设计自由度。然而，现有综述多停留在一般性概述，缺乏对技术选择准则、多拓扑结构微观力学机制以及固有性能权衡的深入分析。

发表于 Materials Today Physics（Volume 59, 2025, 101933）的这篇综述文章，由上海工程技术大学研究团队联合上海齐耀动力技术有限公司完成。

文章针对上述问题，系统构建了涵盖“技术—结构—工艺—组织—性能—应用—趋势”的全链条评述框架，首次面向性能需求对SLM、EBM、LENS 三种主流技术进行了量化技术选择比较，并深入分析了从传统桁架/板结构向三周期极小曲面（TPMS）等先进拓扑转变的范式意义，为高性能金属点阵结构的精准设计与可靠制造提供了系统理论框架和实践指南。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101933

相关研究成果以“Additive manufacturing of metal lattice structures: A comprehensive review of technologies, mechanical properties, applications, and future trends”为题发表在 Materials Today Physics 上。

 三种金属增材制造技术对比

文章首先回顾了AM的定义、ISO/ASTM 七类划分及发展历程，展示了AM及点阵结构研究文献的快速增长趋势。随后，文章重点比较了SLM、EBM和LENS三种技术：SLM利用激光在惰性气氛中选择性熔化金属粉末，特征分辨率高（约20–100 μm），适合制造高精度桁架、板点阵和TPMS结构，但存在残余应力大、需支撑结构等问题；EBM在真空环境中利用电子束熔化粉末，基板预热温度高（600–1000°C），成型效率高、残余应力低、无需支撑，适合大规模高温合金点阵，但表面较粗糙；LENS采用同步送粉和激光熔化，适合大尺寸零件、功能梯度材料和修复再制造，但精度较低（约100–500 μm），难以制造精细微点阵。从分辨率、构建速率、构建体积、表面质量、支撑需求、常用材料、适用点阵类型及优缺点等维度对三者进行了系统对比，为技术选择提供了决策支持。

图1.增材制造的发展进程

 点阵结构的定义、分类与设计方法

文章将周期性点阵结构分为桁架点阵（TLS）、板点阵（PLS）和TPMS点阵三类。

桁架点阵由杆和节点组成，其力学行为可用Maxwell准则判断，分为弯曲主导和拉伸主导两类；板点阵以连续薄板或曲板承载，在低相对密度下刚度可达桁架结构的数倍，但存在粉末排出、支撑设计和最小板厚限制；TPMS点阵以数学隐函数定义，具有光滑、零平均曲率、自支撑、可调孔隙率和高疲劳寿命等优势，列出了Gyroid、Schwarz P、Schwarz D、Diamond、Neovius等典型TPMS的数学表达式。

图2.常见的TPMS晶格结构

文章指出，TPMS代表了从传统工程结构模仿向自然启发、数学最优几何设计的范式转变。此外，文章还讨论了功能梯度点阵、多尺度融合以及微/纳点阵（如双光子光刻、化学镀、原子层沉积、前驱体热解等）的独特尺寸效应和超高比强度。系统比较了三类点阵的变形机制、刚度/强度、能量吸收行为和失效模式；总结了拓扑优化、生成设计、AI/ML性能预测与逆向设计、多物理场仿真等先进设计方法的核心原理、优势与局限。

图3.不同激光功率和扫描速度对增材制造中晶粒大小的影响

 增材制造金属材料的组织演化与力学性能

文章第4章全面综述了增材制造金属材料的组织演化与力学性能。

快速凝固和反复热循环导致细晶、柱状晶、非平衡相和强织构，例如Ti-6Al-4V中形成针状α′马氏体，IN718中γ′、γ″和δ相析出行为受热循环影响。

文章系统分析了孔隙、未熔合、匙孔、热裂纹、冷裂纹、表面粗糙和球化等缺陷的形成机制及其对性能的影响，并指出工艺参数（激光功率、扫描速度、层厚、矢量长度等）对熔池形态、致密化和晶粒结构具有决定性作用。在力学性能方面，AM材料通常强度、硬度较高，但塑性、韧性和疲劳性能受缺陷、残余应力和各向异性制约；热等静压、退火等后处理可显著改善性能。在腐蚀性能方面，晶粒细化通常提高耐蚀性，但元素偏析、孔隙和粗糙表面会降低耐蚀性，添加石墨烯、SiC、TiC等增强颗粒可细化晶粒并稳定钝化膜。文章最后指出，AM金属材料面临“强度—塑性—韧性—疲劳—腐蚀—高温性能”之间的复杂权衡，需要从单一性能优化转向多物理场耦合的协同设计。

图4.(a) 激光功率、扫描速度和扫描层厚度对SLM制备的奥氏体不锈钢316L硬度的影响(b) 对 SLM 制造的 IN718、AS 打印样品以及三种热处理样品的建筑表面、侧面和边缘的显微硬度比较

图5.(a)、(b) 垂直表面的 Sa 值：(a) 相对于熔池的宽度；(b) 相对于熔池的深度；(c) 顶部粗糙度，处理速度为 100 mm/s；(d) 顶部粗糙度，处理速度为 400 mm/s

 增材制造金属点阵结构典型应用

航空航天领域利用点阵结构实现减重、承力、热管理和耐蚀设计，部分结构减重可超过50%，但制造可靠性、检测复杂性和长期疲劳数据不足仍是瓶颈；生物医疗领域利用点阵结构降低弹性模量、避免应力屏蔽、促进骨整合，TPMS骨支架和个性化植入体前景广阔，但长期疲劳、感染风险、取出困难和标准缺失仍需解决；汽车领域将点阵结构用于轻量化、碰撞吸能、电池热管理和结构集成，10%减重可带来约6–8%燃油效率提升；此外，能源热交换器、建筑、国防、体育用品和电子散热等领域也展现出广泛应用潜力，展示了点阵结构在航空发动机和骨科植入物中的应用案例。

 未来发展趋势与关键挑战

未来方向包括多材料打印、自动化与智能控制、高精度与高速制造、更多应用领域拓展等。关键挑战则包括：工艺标准化与质量一致性控制、缺陷形成机制与主动控制、跨尺度性能预测与数字孪生、多材料与功能梯度结构集成、可持续制造与全生命周期评估。文章指出，金属点阵结构增材制造必须从追求“极端性能”转向实现“可预测、可靠、可重复”的性能，通过设计、材料、工艺和后处理全链条协同创新，才能推动其大规模工业应用。

这篇综述以其系统性和前瞻性，为金属点阵结构增材制造领域提供了一份“技术—结构—性能—应用”全景图。其核心价值在于：第一，打破了以往综述偏重一般概述的局限，首次面向性能需求对SLM、EBM、LENS进行量化技术选择比较；第二，系统比较了桁架、板和TPMS三类点阵的微观力学行为、性能优势和失效机制；第三，深入阐明了增材制造点阵结构特有的“工艺—微观组织—性能”关系，总结了强度—塑性—韧性—疲劳—腐蚀之间的内在权衡；第四，结合航空航天、生物医疗、汽车等应用案例，指出了多材料、智能化、高精度和可持续制造等未来方向。

转载自：多尺度力学

文献信息

标题：Additive manufacturing of metal lattice structures: A comprehensive review of technologies, mechanical properties, applications, and future trends
期刊：Materials Today Physics
卷号：Volume 59, 2025, 101933

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Ti-6Al-4V（TC4）是增材制造领域应用最广泛的钛合金之一。然而，激光定向能量沉积（LDED）过程中的陡峭温度梯度和快速冷却，往往使材料形成粗大的外延柱状原始β晶粒、较强的晶体学织构以及针状或片层状α/β组织。这些组织特征不仅导致低塑性、加剧力学各向异性，还会影响局部滑移传递、应变协调和损伤萌生。

针对上述问题，哈尔滨工业大学黄永江教授以及宁志良教授联合香港城市大学杨涛教授采用预合金化AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金粉末作为多元素合金化源，在LDED制备TC4的过程中同步引入Al、Co、Cr、Fe和Ni元素。该策略的重点并非在TC4 中构建传统意义上的“高熵合金相”，而是利用不同溶质元素对凝固行为、相稳定性、元素分配和纳米析出的差异化作用，在一次原位合金化过程中实现多尺度组织协同调控。研究发现，在所考察的成分范围内，添加5 wt.%AlCoCrFeNi2.1的 TC4–5%原始β晶粒平均短轴尺寸由约314 μm 降至78 μm，α片层宽度由约357 nm细化至194 nm，同时形成适量片层间β相和平均尺寸约1.2 nm的α2–Ti3Al纳米析出相。同时该合金获得了最佳综合性能，屈服强度达到1180.4 MPa，抗拉强度达到1239.1 MPa，延伸率保持在11.3%，实现了高强度与塑性的显著协同。

进一步结合原位电子背散射衍射（in-situ EBSD）、滑移迹线分析和透射电镜（TEM）揭示了TC4–5%在拉伸过程中的晶格旋转、局部取向梯度演化、多滑移模式参与及损伤局域化行为，建立了“多元素原位合金化—多尺度组织调控—局部塑性响应—损伤萌生”之间的内在关联。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104797

第一作者： 程子健

通讯作者： 宁志良、杨涛、黄永江

通讯单位： 哈尔滨工业大学、香港城市大学

论文题目：Multiscale microstructure regulation and strength–ductility response of a multi-element in-situ alloyed additively manufactured Ti-6Al-4V alloy

 图形摘要

多元素原位合金化驱动原始β 晶粒柱状—等轴转变，并通过α/β 层级组织调控、固溶强化、位错强化和纳米α₂ 析出，实现增材制造TC4 合金的强度和塑性的显著协同。

 论文亮点

（1）提出多元素一体化原位合金化策略。采用固定元素比例的预合金化 AlCoCrFeNi2.1粉末作为合金化源，在LDED过程中综合调控原始β晶粒形貌、α片层尺度、α/β相组成、溶质分配和纳米α2析出，拓展了增材制造钛合金的成分—组织设计空间。

（2）确定兼顾强度与塑性的最佳成分窗口。TC4–5%的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到1180.4 MPa、1239.1 MPa和11.3%。当添加量增至10 wt.%时，虽然屈服强度进一步升至1304.6 MPa，但延伸率降至5.7%，表明过度β稳定化会重新引发显著的强度与塑性的权衡。

（3）揭示高强度的多机制协同来源。α片层细化、多元素固溶强化和位错强化是主要贡献，平均尺寸约1.2 nm、体积分数约2%的α2–Ti3Al析出相提供补充强化。

（4）原位捕捉局部塑性与损伤演化。随拉伸应变增加，低角度晶界比例由5.55%增至31.2%，平均KAM值由0.44增至1.08；高KAM区逐渐向原始β晶界和三叉结集中，并与裂纹萌生位置相对应。

（5）定量评价了柱状—等轴转变判据。在本文TC4–x%合金系列以及所纳入的Ti–HEA文献数据中，生长限制因子Q与原始β晶粒形貌的相关性强于Scheil凝固区间ΔTS 和成分过冷参数P，为多组元原位合金化钛合金的成分设计提供了可参考的热力学指标。

 图文解读

从热力学设计到柱状—等轴转变

热力学计算显示，AlCoCrFeNi2.1的加入能够显著改变TC4 的凝固温区、溶质生长限制能力和相稳定性。研究据此选择TC4、TC4–2%、TC4–3.5%、TC4–5%和TC4–10% 进行实验对比，以寻找晶粒细化、相组成和力学性能之间的平衡区间。

TC4–x%合金的热力学预测，包括伪二元平衡相图、非平衡冷却条件下的凝固温区，以及TC4 和TC4–5% 的Scheil 凝固曲线。

实验结果表明，TC4–5%的原始β 晶粒长大受到明显抑制，晶粒长宽比降至约1.4，呈现显著的近等轴化特征。进一步的相关性分析显示，在本文涉及的成分序列中，生长限制因子Q与原始β晶粒长宽比的线性相关系数 R2达到0.88；加入已有Ti–HEA原位合金化数据后，R2仍达到0.87，高于 P和 ΔTS。

原始β 晶粒形貌与Scheil 凝固区间、生长限制因子 Q 和成分过冷参数 P的相关性。对于本文所考察的多组元快速凝固体系，Q 表现出更稳定的柱状—等轴转变预测能力。

5 wt.% 添加量实现最佳强塑匹配

不同添加量对应着清晰的成分依赖性力学响应。未合金化LDED-TC4 的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为854.3 MPa、920.5 MPa 和7.9%；TC4–2%和TC4–3.5%在强度提升的同时，将延伸率分别提高至11.9%和13.8%。TC4–5%则在延伸率仍高于10% 的前提下，将屈服强度提升至1180.4 MPa，表现出最有竞争力的高强度—塑性组合。

当添加量达到10 wt.% 时，材料的屈服强度和抗拉强度进一步升高至1304.6 MPa 和1411.3 MPa，但延伸率下降至5.7%，断口也由混合型韧性断裂特征转向更明显的脆性特征。这说明多元素合金化并非“越多越好”，相稳定性和层级组织必须被控制在合适窗口内。

LDED 制备TC4–x%合金的工程应力—应变曲线、真实应力—应变曲线、加工硬化率以及与已有变形、铸造和增材制造钛合金的强塑性能对比。

多尺度组织共同支撑高强度

EBSD重构结果显示，未合金化TC4中存在明显的粗大柱状原始β晶粒；加入5 wt.% AlCoCrFeNi2.1 后，原始 β 晶粒平均短轴尺寸由约314 μm 降至78 μm，降幅约75%。与此同时，α相和重构原始β 相的最大织构强度分别由5.05 MUD 和9.70 MUD 降至3.50 MUD 和4.45 MUD，表明晶粒近等轴化伴随着织构弱化。

LDED-TC4与TC4–5%的重构原始β晶粒、α相取向、极图及原始β晶粒短轴尺寸统计。TC4–5%表现出明显的晶粒细化、近等轴化和织构弱化。

TEM进一步揭示了更细尺度的组织变化：TC4–5%的平均α片层宽度由约357 nm 降至194 nm；Co、Cr、Fe和Ni优先向片层间β区域分配，Al则更多富集于α片层。在α基体内部，还观察到平均尺寸约1.2 nm、体积分数约2%的有序α2–Ti3Al 析出相。

TC4与TC4–5%的TEM对比，以及TC4–5%中的α/β层片组织、元素分配、α2超点阵衍射和纳米 α2 析出相统计。

基于实验组织参数的计算显示，TC4–5%中α片层细化、多元素固溶、位错和α₂ 析出对应的屈服强度增量估算值分别为116.4 MPa、113.2 MPa、157.6 MPa 和66.0 MPa，原始β晶粒细化的直接Hall–Petch 增量约为10.8 MPa。各项线性叠加所得预测屈服强度约为1318 MPa，高于实验值1180 MPa，说明不同强化机制并非完全独立，相关数值应作为半定量比较，而非严格的唯一分解。

原位揭示塑性变形的渐进演化

为理解TC4–5% 为何能在高强度下保留11.3%延伸率，在0%、1%、2%、3%、5%、7%全局应变及断裂状态下开展了原位EBSD 跟踪。随着拉伸进行，α晶粒发生持续晶格旋转，晶内取向梯度和低角度晶界逐步增加，表明塑性变形由初始滑移逐渐发展为更复杂的局部协调过程。

TC4–5%在不同拉伸状态下的原位EBSD取向图和极图。低角度晶界比例由初始状态的5.55%增至7%应变状态下的31.2%。

KAM结果进一步显示，材料的平均KAM值从初始状态的0.44升至1%应变时的0.68，并在7%应变时达到1.08。高KAM区首先出现在部分原始β晶界附近，随后不断扩展，并在高应变阶段集中于原始β晶界和三叉结。这些区域承受更强的几何约束和应变不协调，因而更容易发生位错塞积和损伤局域化。

TC4–5%在不同变形状态下的KAM 分布。高应变阶段的局部取向梯度明显向原始β 晶界及三叉结集中。

多滑移模式参与局部应变协调

滑移迹线分析表明，代表性区域内存在基面、柱面和锥面候选滑移系的局部参与；由5% 应变增加至7% 应变时，被归属于锥面<a>和局部锥面<c+a>候选滑移的迹线增多。需要强调的是，滑移迹线与Schmid因子只能提供几何相容性判断，实际滑移激活还受到临界分切应力、局部应力状态、相邻晶粒约束及α/β界面相容性的共同影响。

TC4–5%在不同变形状态下的表面滑移迹线、候选滑移系统计及沿选定路径的累积取向差。

原位观察发现，裂纹优先在原始β晶界附近萌生，并大致沿晶界扩展。当裂纹进入相邻α晶粒后，局部裂纹路径又沿深滑移带继续推进，晶界处的应变不相容与晶内滑移局域化共同参与了损伤演化。

TC4–5%裂纹区域的原位取向、KAM、重构原始β晶粒和裂尖形貌。裂纹萌生位置与原始β 晶界附近的高局部取向梯度相对应。

断后TEM 观察到α相中的<a>、<c>和<c+a>位错活动以及相邻β区域内的位错滑移，结果表明，高应变区可由多种局部变形模式共同承担塑性应变。研究区域内未观察到具有明确晶体学特征的变形孪晶，说明室温拉伸主要由位错滑移主导。

断裂后TC4–5% 的TEM 分析，显示α、β区域内的位错活动以及α/β界面附近的局部变形相互作用。

 总结与展望

本研究采用AlCoCrFeNi2.1辅助多元素原位合金化，对LDED制备TC4的凝固组织、相组成、纳米析出及局部塑性行为进行了系统调控。主要结论如下：

（1）5 wt.%添加量成功推动原始β晶粒由粗大柱状向近等轴形貌转变，平均短轴尺寸由约314 μm 降至78 μm，长宽比降至约1.4；在本文及所纳入的Ti–HEA数据范围内，生长限制因子 Q对该转变表现出较强的相关性。

（2）TC4–5% 同时具有细化的原始β晶粒和α片层、适量片层间β相以及纳米α2–Ti3Al析出相；当添加量提高至10 wt.%时，保留β相比例大幅升高并伴随明显塑性损失，说明5 wt.% 是本研究成分范围内更合理的综合平衡点。

（3）TC4–5% 获得1180.4 MPa 屈服强度、1239.1 MPa抗拉强度和11.3%延伸率。高强度来自α片层细化、多元素固溶、位错及纳米α2析出的共同贡献，其中α2析出属于补充强化机制。

（4）原位EBSD、滑移迹线和断后TEM共同表明，TC4–5%在变形过程中经历持续晶格旋转和局部取向梯度累积，多种滑移模式及α/β区域内的局部变形活动为应变协调提供了可能路径；在高应变阶段，损伤则优先向原始β晶界和三叉结等强约束区域局域化。

该工作说明，增材制造钛合金的强塑协同不能仅依赖单一晶粒细化或单一析出强化，而需要在凝固组织、α/β层级结构、溶质分配、纳米析出和局部变形能力之间建立可控平衡。多元素预合金化粉末为实现这种一体化调控提供了新的材料设计思路。

论文引用

Zijian Cheng, Yonggang Sun, Siyuan Cheng, Zhiliang Ning*, Tao Yang*, Jianfei Sun, Yongjiang Huang*. Multiscale microstructure regulation and strength–ductility response of a multi-element in-situ alloyed additively manufactured Ti-6Al-4V alloy.

International Journal of Plasticity, 2026, 205:104797.

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104797.

作者信息

通讯作者：宁志良，教授，博士生导师，哈尔滨工业大学精密热成形全国重点实验室教师。先后主持承担国家自然科学基金面上项目、国家部委基金项目、科技部国际合作项目、黑龙江省科技攻关重点项目。获得省部级科技进步二等奖三项，发表论文140余篇，其中SCI收录80余篇，申报国家发明专利70余项，授权40项。

通讯作者：杨涛，现任职香港城市大学材料科学与工程系，国家自然科学基金优秀青年基金和香港研究资助局杰出青年学者获得者。长期专注于严苛环境服役金属结构材料的合金设计、组织结构调控和先进制造技术的研究。先后荣获IUMRS青年科学家，CMRS青年科学家等称号，并于2021-25年度连续入选美国斯坦福大学发布的“材料科学领域全球TOP 2% Scientists”榜单。已在Science, Nature, Acta Materialia等国际期刊发表学术论文220余篇，引用1.6万余次。先后主持国家自然科学基金、国家重点研发专项等科研项目30余项。

通讯作者：黄永江，哈尔滨工业大学教授，工学博士，博士生导师，英国皇家学会牛顿学者，黑龙江省高层次人才，中国金属学会非晶合金分会委员，精密热成形全国重点实验室副主任，中国热处理行业协会汽车钢分会副理事长。主要从事新型航天金属材料的增材/增减材智能制造、亚稳金属材料（包括非晶合金及其复合材料、轻合金、高熵合金等）、凝固理论及铸造装备等方向研究工作。获黑龙江省科技进步二等奖一项，黑龙江省自然科学二等奖一项，黑龙江省高校自然科学一等奖和二等奖各一项。在Advanced Materials、Acta Materialia、International Journal of Plasticity、Corrosion Science等国际著名学术杂志上发表SCI收录论文270余篇，被Science等权威杂志引用8520次（单篇最高SCI引用280余次），ESI高被引7篇，3篇入选封面论文，1篇论文入选中国知网高影响力论文，1篇论文入选Rare Metals杂志年度最佳论文，H因子46，申请国家发明专利82项，授权55项，担任8个国际期刊副主编/编委/青年编委。

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金属激光增材制造技术具备实现复杂构件高效精密成形的核心能力，目前已经在航空航天、国防、医疗等重要工业领域得到了成功应用。然而，由于涉及极端非平衡的快速熔凝过程，难以避免地会产生较多的孔隙、裂纹、表面几何缺陷及分层等制造缺陷。这些缺陷严重破坏了构件的致密度与力学性能，阻碍了其在高端装备中的更广泛应用。

因此，发展原位在线监测技术不仅是实时捕捉过程失稳征兆、深入理解缺陷机理的科学需求，更是实现主动质量控制、减少报废损失的工程前提，对推动增材制造走向高一致性生产具有跨学科的创新意义。

北京理工大学研究团队近日在《力学进展》期刊发表了《金属激光增材制造在线监测技术研究进展》一文，系统综述了多维度检测技术体系的构建，梳理了关键测试方法与技术的前沿突破。

论文链接：
DOI: 10.6052/1000-0992-25-027

 研究亮点

光学与热学监测体系的智能化：

重点探讨了可见光与红外光检测方法。可见光监测通过同轴或旁轴高速相机，能够直观捕捉微秒级熔池几何形态、飞溅及粉末床异常；深度结合卷积神经网络与物理信息神经网络，实现了从纯数据驱动向物理规则约束的缺陷智能分类跃升。红外光检测则利用双色高温计等设备非接触式捕捉热辐射，克服了复杂热物理变化中的发射率干扰，实现了三维热历史与应力场的高精度原位反演。

图1:不同的相机监测视角示意图. (a) LDED工艺下相机位置固定的欧拉视角(Hao et al. 2020), (b) LDED工艺下相机跟随激光器运动的旁轴拉格朗日视角(Feng et al. 2022b)

声学信号的深度特征解析：

针对LDED强气流噪声与LPBF相对安静环境的信号差异，梳理了基于声发射及麦克风传感器的声学监测技术。通过小波变换及深度学习算法的强鲁棒去噪处理，声学技术能够高灵敏地侦测亚表面裂纹扩展及微观孔隙的瞬态应力波特征。

图2: 基于声发射传感器的检测设备. (a)用于LPBF工艺的装置及信号(Kononenko et al. 2023), (b)布置于舱室内的麦克风装置(Yamashita et al. 2025)

多源数据融合与闭环控制机制：

鉴于单一传感器难以兼顾全视场高精度与高频响应，论文深度剖析了数据级、特征级与决策级的多模态传感融合策略。在此基础上，总结了利用自适应PID、模型预测控制等策略实施闭环反馈调节的最新进展，证实其在抑制动态热积累、修正沉积层高偏差及提高微观组织均匀性方面的显著成效。

图3:多传感器检测系统检测流程示意图. (a)用于LDED工艺的多传感器监测系统: 同轴相机和麦克风监测(Ren et al. 2025), (b)和(d)基于深度学习方法的熔池图像与声信号的融合, (c)用于LPBF工艺的麦克风、相机监测设备(McKinney et al. 2025)

 未来展望

当前缺陷在线检测的精度、速率和效率依然受限于多源异构传感器数据的时空配准难题以及多物理场信息同步检测的效率瓶颈。未来的研究需进一步聚焦于多传感探测技术与机器学习的深度协同，探索更具鲁棒性的特征级融合算法。同时，应重点推进物理信息引导的深度学习框架，并注重数字孪生驱动的全流程质量预测模型构建，以期为解决增材制造缺陷监测与宏观/微观跨尺度精度控制的共性问题提供可靠的解决途径。

来源：《力学进展》

论文引用

姜策, 封伟, 龙紫云, 王普祥, 赵今朝, 郑博, 谢惠民, 刘战伟. 金属激光增材制造在线监测技术研究进展. 力学进展, 2026, 56(3): 744-782

Jiang C, Feng W, Long Z Y, Wang P X, Zhao J Z, Zheng B, Xie H M, Liu Z W. Research progress on online monitoring technology for metal laser additive manufacturing. Advances in Mechanics, 2026, 56(3): 744-782
DOI: 10.6052/1000-0992-25-027

作者简介

刘战伟，北京理工大学教授、博士生导师，长期从事实验力学与增材制造领域先进光学测量方法、技术与系统的研究。曾担任基础力学实验中心北京市级实验教学示范中心主任。入选教育部新世纪优秀人才、欧盟资助的居里学者、闽江学者讲座教授等，担任中国力学学会实验力学专委会委员、北京力学会实验力学专委会副主任委员、SCI期刊Materials以及核心期刊《实验力学》等编委，先后主持国家自然基金重大科研仪器研制项目、面上项目、北京市自然基金等10余项。发表高水平SCI论文110余篇，授权发明专利30余项。获教育部技术发明一等奖和教育部自然科学二等奖等。

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一块布满较大开放孔隙的钛合金复合晶格材料放入水中，水可以从孔隙中穿过，它却能稳定浮在水面。即使经过压缩、整层晶格材料发生断裂，它仍能漂浮。这种看似矛盾的现象，是如何实现的？

澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）增材制造中心马前杰出教授团队近日在《Advanced Materials》发表研究，将3D打印的中空钛合金骨架与低密度聚氨酯泡沫结合，制成一种既能承载、又能漂浮的开孔复合晶格材料，为金属晶格材料用于海洋漂浮结构提供了新思路。

论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.74641

 结构很轻，为何还会下沉？

金属晶格材料可以理解为由许多细小杆件连接而成、内部留有大量孔隙的立体框架材料。因此，它比同样外形尺寸的实心金属块轻得多。但“轻”并不等于“能浮”。

计算晶格材料的整体密度时，通常会把杆件之间的孔隙也计入总体积。放入水中后，水会进入这些孔隙，它们便不能像密封空腔那样持续排开水。因此，即使计算得到的整体密度低于水，开孔金属晶格材料仍可能下沉。

要让它浮起来，就需要在保留外部水流通道的同时，在结构内部留下能够阻止水进入、持续排开水的空间。

 把泡沫装进中空骨架

团队此前围绕中空杆金属晶格材料开展了系列研究，探索如何打印薄壁杆件、提高连接部位的强度，以及更有效地利用金属材料。这些工作为最新的漂浮设计奠定了基础。

中空杆件就像细小的金属管，内部通道相互连通。研究人员先用激光粉末床熔融金属3D打印技术制备Ti-6Al-4V中空杆晶格材料，再向通道内注入可膨胀聚氨酯。聚氨酯在其中发泡、固化，形成含有大量封闭小泡孔的低密度泡沫。

泡沫填在杆件内部，杆件之间的大孔隙则保持开放。这样，钛合金骨架主要负责承载，内部泡沫帮助结构排开水、提供浮力，水仍能从骨架之间穿过 （图1）。

图1：可漂浮的钛合金复合晶格材料及浮标演示件。

上图：中空钛合金骨架内部填充聚氨酯闭孔泡沫，外部孔隙保持开放，复合晶格材料实现稳定漂浮。

下图：采用这一设计制备的浮标演示件，在海水容器中的涡流扰动下仍保持漂浮，无需外部密封壳体或辅助浮力装置；左上方红色结构为该浮标的数字模型。

判断能否漂浮，要看骨架密度

为预测这种结构能否漂浮，团队提出了“骨架密度”设计框架。其核心是：计算密度时，不把水能自由进入的外部孔隙算进去，只考虑金属壁和内部泡沫共同组成的骨架。

将这部分骨架的总质量除以其总体积，就得到骨架密度。当它低于周围液体的密度时，结构便具备漂浮条件。

实验结果与这一判断一致：未填充泡沫的中空钛合金晶格材料全部下沉；填充后，骨架密度低于淡水密度的复合晶格材料稳定漂浮，并持续漂浮超过两个月 （图1）。

 骨架断裂后，为何还能浮？

研究人员还在压缩试验的不同阶段取出试样，重新放入水中。结果发现，即使杆件连接处开裂，乃至整层晶格材料断裂，试样仍能漂浮。

原因在于，泡沫内部包含大量彼此隔开的封闭小泡孔。金属骨架局部开裂后，水不会立即灌满整个内部空间，泡沫仍能保留足够的排水体积。因此，骨架受损并不意味着浮力马上消失。

不过，这种能力也有边界。继续压缩后，结构逐渐塌陷、压实，能够排开水的体积越来越小，试样最终下沉。研究表明，浮力丧失主要与结构被压实有关，而非裂纹导致的大规模进水。

 少量增重，换来漂浮功能

引入泡沫带来的增重较小：填充后，晶格材料的整体密度仅增加约6%–7%，压缩力学性能变化不大，钛合金骨架仍承担主要载荷。

在天然海水中浸泡两周后，漂浮试样的质量损失约为0.15%，压缩屈服强度和峰值强度的平均下降幅度均小于1%。

团队还制备了一个高100毫米、宽85毫米的浮标示件。在天然海水容器中，研究人员通过受控水体扰动测试其漂浮表现。浮标随水流绕自身中心轴转动约45°时，仍保持漂浮，无需外部密封壳体或辅助浮力装置（图1）。

从晶格材料试样到浮标演示件，这项研究展示了将承载、通水与漂浮功能融入同一结构的可能性，为海洋浮标及其他漂浮结构的设计提供了新思路。

论文信息

Jordan Noronha et al.，Breaking the Surface: Buoyant Metal–Polymer Open–Cell Hybrid Lattice Metamaterials，《Advanced Materials》（2026）。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74641

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近日，中南大学研究团队在金属材料领域期刊Acta Materialia发表了题为“Strength retention induced by thermally stable nanoprecipitates in an additively manufactured Al-Fe-Cr-Sc-Zr alloy after long-term exposure at 400 °C”的研究论文。中南大学王悦婷为论文第一作者，李瑞迪和甘科夫为通讯作者。

该工作针对增材制造耐热铝合金在长期高温服役过程中易发生析出相粗化和强度衰减的问题，系统研究了PBF-LB成形Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金在400 ℃长期热暴露后的组织演变及室温强度保持机制。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122741

图1 论文Graphical Abstract

 01 研究背景

增材制造为复杂轻量化耐热铝合金构件的制备提供了新的技术路径。然而，对于长期服役构件而言，仅具有较高的瞬时高温强度并不足够。材料在经历数十甚至数百小时高温暴露后，能否在冷却至室温后仍保持足够的力学性能，同样直接关系到构件的服役可靠性。

尤其在300–400℃温度区间，析出相粗化、亚结构回复以及晶粒长大等过程往往会削弱材料的强化效果。因此，如何稳定纳米析出相并延缓高温组织退化，是增材制造耐热铝合金进一步提高服役温度和寿命的关键。

本研究选取PBF-LB成形的Al-2.5Fe-2Cr-0.6Sc-0.3Zr合金，结合SEM、EBSD、TEM/HAADF-STEM、APT、正电子湮没谱以及第一性原理计算，对其长期热暴露过程进行了多尺度研究。

 02 400℃热暴露200h后仍保持较高强度

合金经325℃/4h热处理后，室温屈服强度和抗拉强度分别达到482MPa和524MPa。随着400℃热暴露时间延长，材料强度逐渐下降，但整体表现出较好的稳定性。

即使经过400℃/200h热暴露，其室温屈服强度仍达到281MPa，抗拉强度为348MPa，屈服强度保持率约为60%。与此同时，在200℃热暴露过程中材料几乎没有明显强度损失，而300℃短时间热暴露还可产生一定的二次强化效应。这一结果表明，该合金在经历较为严苛的长期高温暴露后，仍能保持较高的室温承载能力。

图2 Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金热暴露后的力学性能稳定性（原论文Fig. 1）

 03 长期热暴露后，哪些组织仍然“撑住了”强度？

400℃长期热暴露并非没有引起组织退化。随着热暴露时间增加，快速凝固形成的亚结构逐渐回复，部分亚稳Fe富集相发生分解和粗化，原始Al₆Fe共晶结构逐渐向更加稳定的Al₁₃Fe₄转变。

但与此同时，合金中的一些热稳定结构得以保留下来甚至在热暴露过程中进一步形成。一方面，等轴晶—柱状晶双峰晶粒结构整体仍保持稳定，Al₁₃(Fe,Cr)₂~₄等热稳定颗粒能够对晶界产生钉扎作用；另一方面，弥散的L1₂-Al₃(Sc,Zr)纳米析出相仍然可以提供有效的析出强化。论文认为，双峰晶粒、L1₂颗粒以及Fe/Cr富集相之间的协同作用，是长期热暴露后强度得以保持的重要基础。

 04 “茧状”Sc/Zr修饰θ′复合析出相

研究中较为值得关注的是，在经过400℃/200h热暴露后的等轴晶区域内观察到了一类尺寸仅为数十纳米的Sc/Zr修饰θ′复合析出相。

原子尺度表征显示，该复合析出相并不是简单的单一结构，而具有明显的空间成分分区：中心区域主要由Fe富集的单斜Al₁₃Fe₄构成，两端为Cr富集的Al₄₅Cr₇，而Sc/Zr则优先分布于Fe富集区域与Al基体之间，并形成有序L1₂-Al₃(Sc,Zr)界面结构。

APT结果进一步显示，Sc/Zr在析出相周围形成类似包覆层的分布特征，使整个颗粒呈现出具有明显界面修饰特征的“茧状”复合结构。

图3 Sc/Zr修饰θ′复合析出相的原子尺度结构及界面元素分布（原论文Fig. 8）

图4 沿[100]Al轴获得的θ′沉淀物的HAADF-STEM图像（原论文Fig. 9）

第一性原理计算进一步表明，Al₃Sc在Al₁₃Fe₄/Al界面的形成能够降低界面能，而在本身较稳定的Al₄₅Cr₇/Al界面作用相对有限。这种界面能差异为实验中观察到的Sc选择性界面偏聚提供了能量学解释。

因此，Sc/Zr并非简单形成独立析出相，而是能够在特定界面处发挥稳定作用，降低界面迁移和溶质扩散速率，从而有助于抑制复合析出相进一步粗化。

图5 不同界面结构的形成能（原论文Fig. 13）

图6 Al13Fe4/Al和Al45Cr7/Al界面的原子构型以及特定位置Sc替代对形成能的影响。（原论文Fig. 14）

 05 从“初始缺陷”到热稳定复合析出相

结合不同热暴露时间下的显微组织与正电子湮没结果，研究提出了Sc/Zr修饰θ′析出相可能的演化过程：

空位–溶质团簇→GP区 →亚稳θ′结构 →Sc/Zr修饰的稳定θ′复合析出相

随着热暴露进行，Sc/Zr逐渐由前驱结构内部向界面重新分配并形成L1₂包覆结构。正电子测试表明，长期热暴露过程中空位型缺陷持续减少，这与上述析出相演化过程相吻合。

图7 热暴露过程中θ′沉淀物的形成和生长。（原论文Fig. 15）

 06 总结

该研究表明，增材制造耐热铝合金在长期高温环境下的强度保持，并非依赖单一强化相，而是来源于双峰晶粒结构、热稳定L1₂纳米析出相、Fe/Cr富集金属间化合物以及热暴露过程中形成的Sc/Zr修饰θ′复合析出相之间的协同稳定作用。

其中，Sc/Zr在特定析出相界面的选择性偏聚，为抑制高温扩散和析出相粗化提供了一种值得关注的组织稳定化机制，也为面向200–400℃长期服役环境的增材制造耐热铝合金成分与界面设计提供了新的思路。

图8 Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金总体强度保持机制示意图（原论文Fig. 10）

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