盖世汽车讯 据外媒报道，中国研究人员开发出全新的3D打印工艺，能够制造出高度超过一米（3.3英尺）、且完全由单晶构成的钛合金棒。该团队在期刊《Nature》上发表的一项研究中介绍了这一新方法；它克服了传统晶体生长法所面临的一些局限性，并为从反应堆组件到激光反射镜等各类技术应用开辟了新的可能。

图片来源：期刊《Nature》

多晶材料的问题

大多数金属属于多晶材料，由许多晶粒组成。在长期受热和承受应力的情况下，这些晶粒的边界往往会成为薄弱环节。相比之下，由单一、均匀晶体结构构成的金属则不存在这些边界，因此在航空航天部件等高应力、高温应用场景中极具价值。

传统的晶体生长方法在材料选择、尺寸和形状方面对制造商构成了限制。例如，某些金属具有高化学活性和高熔点，这使得常用的模具铸造法难以适用，因为模具往往无法承受这些极端条件。此外，另一种被称为“浮区熔炼”的方法不仅成本高昂，而且在可制造的尺寸和形状上也受到诸多限制。

金属3D打印是另一种可行的方案，但该工艺涉及材料的反复加热与冷却。通常，这种过程会破坏生长单晶体所需的稳定条件。早期的打印研究曾尝试在现有的单晶基底上制备小型的单晶镍合金沉积物，或者在多晶材料中形成晶核；然而，如何通过打印生长出更大且不含多余晶粒的单晶体，依然是一项艰巨的挑战。

一种用于单晶制造的送丝电弧打印工艺

参与这项新研究的团队找到了一种克服以往3D打印方法局限性的途径。他们采用了一种送丝电弧打印工艺，该工艺利用短时高功率脉冲与较长时段的低功率状态交替进行。

通过精确交替施加强、弱热脉冲，在送丝添加材料的同时，晶体能够逐层生长，且无需预先准备单晶基底。顶层材料在凝固与重熔的过程中，能够修正先前取向错误的晶粒。研究团队将这种新方法命名为“深下沉脉冲送丝电弧增材制造”（Deep-Squat Pulsed Wire Arc Additive Manufacturing，简称DSP-WAAM）。

研究作者写道：“值得注意的是，传统的单晶（SC）生长依赖于不间断的外延生长，而增材制造（AM）中的重熔过程增强了容错性：对于每一沉积层，偏离外延生长条件的区域可以通过重熔进行修正，其余部分则保持为单晶。因此，只需确保未重熔区域（由层厚决定）满足外延生长条件即可。这使得单晶能够以一种间歇性、自校正且逐层累积的方式实现稳定生长。”

研究人员制备出了长度超过一米（3.3英尺）的钛合金棒材，以及直径最大可达2厘米（0.8英寸）的试样。他们还制造出了无需支撑结构的“之”字形（锯齿状）晶格，其支撑杆均为单晶结构——作者称这是首次实现此类结构。此外，利用这种新方法，研究人员还成功打印出了钨、钼、铌以及钼-铌合金的单晶材料。

具有抗蠕变性能、形态与尺寸各异的金属晶体

研究团队指出，从理论上讲，利用这种新方法，单晶的尺寸可以不受限制；至于实际的尺寸极限，则有待进一步测试来确定。此外，得益于“之”字形结构所发挥的“无模具螺旋晶粒选择器”作用，该方法还有望制备出形状更为复杂的晶体。

研究人员通过力学测试，将打印出的钛样品与传统材料进行了对比；同时，他们还借助计算机模拟，分析了熔融金属的行为、晶体生长过程以及高温下的变形情况。测试结果显示，在约600°C至700°C的温度范围内，这种打印钛材料表现出了优异的抗蠕变性能（即在持续受热和受力下发生的缓慢变形），远胜于传统的对比样品；而在约500°C以下的温度范围内，传统样品的屈服强度则更高。

其抗蠕变性能比基于晶粒尺寸的预测值高出约十倍。研究人员将此归因于晶界的消除，以及内部精细层状结构的存在——这种结构能够减缓变形和损伤。

单晶材料的潜在应用包括用于高温环境热防护的轻量化点阵结构。尽管其商业优势尚待验证，但该方法有望成为现有昂贵且受形状限制的晶体生长工艺的一种替代方案。

研究作者写道：“通过扩展可用的材料库并消除传统的几何限制，这项工作为探索那些难以制造的单晶（SC）合金开辟了新途径，拓宽了其工作温度范围，并为实现先进单晶部件的可扩展、高性价比工业化生产释放了新的潜力。”