米级尺度、复杂构型、跨材料体系单晶增材制造。

本报讯 单晶是先进核能与核动力装备、航空发动机与燃气轮机等领域的战略性基础材料。当前单晶制造领域还面临诸多核心科学挑战。

近日，航天航空学院崔一南副教授团队建立了增材制造力学－凝固学耦合理论模型，提出“深蹲脉冲”热输入增材制造新方法。研究团队首先揭示了强瞬态热循环下间歇式单晶生长的新型动态稳定机制，突破了传统单晶生长对准稳态凝固条件的依赖，破解了微观晶体有序生长与宏观悬空结构稳定成形的协同控制难题，为强非平衡条件下的单晶增材制造提供了理论依据。目前，研究已经实现无籽晶、无杂晶、无模具、无支撑的米级尺度、复杂构型、跨材料体系、低成本的工业级单晶增材制造。该方法也被成功应用于制造传统模具法难以实现的高活性、高熔点金属单晶。

针对航空航天领域广泛应用的高活性钛合金，团队报道了米级Ti-6Al-4V单晶，其高温蠕变性能相较于锻造多晶材料、增材制造多晶材料呈量级式提升，显著超出常规晶粒尺寸标度律的预测。研究团队通过多尺度显微表征与晶体塑性模拟发现，晶界消除与相组织协同，改变了米级Ti-6Al-4V单晶内部位错及孔洞演化动力学，揭示了即使在位错主导的蠕变区，晶界仍对宏观性能具有关键影响，为单晶合金高温性能优化提供了新的机制认知。

该方法还实现了难加工的难熔金属钨（W）、钼（Mo）、铌（Nb）及钼铌（MoNb）合金的单晶增材制造，为探索核能等极端服役条件下的材料性能极限提供了新机遇。此外，研究打印了单晶点阵结构，将单晶从受模具约束的实体构件拓展为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开辟了新路径。

研究成果以“超长尺寸与复杂结构单晶增材制造”为题，在线发表在《自然》（Nature）期刊上。期刊评价该工作“为未来技术与科学发展创造了令人振奋的机遇”。

北京理工大学机械与车辆学院教授刘长猛、崔一南、加州大学洛杉矶分校教授莫里斯·王为论文共同通讯作者，崔一南、清华大学航院博士后（已出站）王嘉琛、刘长猛、北京理工大学机械与车辆学院博士生韩骁为共同第一作者。

（航院）