Nature正刊最新3D打印文章解读！一米多高钛合金单晶靠DED？！

最新Nature，增材制造又迎来一项令人振奋的成果！

2026年10月21日，北京理工大学刘长猛教授、清华大学崔一南副教授与加州大学洛杉矶分校Y. Morris Wang等合作团队，在Nature发表超长与复杂构型单晶增材制造研究。

简单来说他们用丝材电弧3D打印，制备出一米多高的Ti-6Al-4V钛合金单晶，还让单晶沿折弯路径生长，构成复杂晶格杆件，并将方法拓展到钨、钼、铌和钼铌合金。

打印得到的钛合金单晶，还展现出出色的高温抗蠕变能力。

对金属3D打印而言，这份成果让人振奋的地方，是尺寸、形状与材料性能同时演进：

外面的零件长起来，里面的晶体也能按工艺要求有序延续。

研究解读

它最值得增材制造行业关注的地方，是把外形制造与晶体生长放进同一个过程：

打印路径决定材料往哪里长，热输入决定内部晶体怎样接着长。

理解这一点，就能读懂论文里的尺寸、结构和性能为何能够相互支撑。

先说单晶为什么难得？

普通金属由许多取向不同的晶粒组成，晶粒之间有边界。

这些边界在常温下可以帮助强化材料，但在高温、持续受力时，也可能成为变形和损伤发展的通道。

单晶消除了这类晶粒边界，因此受到高温构件研究的重视。

难的是制造。传统单晶生长通常依赖稳定的温度场，而3D打印偏偏要一层层加热、冷却、再加热。

研究者必须让晶体在这种反复变化中，依然有序地向前生长。

原文图1：长时间低电流与短时间高电流交替，让送入的金属、熔池形状和晶体生长得到配合。

从左上方的铸造、区熔，讲到右侧的新工艺。

文章方法不依赖模具，也不需要预先准备单晶籽晶，而是从普通多晶基板上逐步筛选出单一晶粒。

关键藏在右侧的电流波形里。

团队采用深蹲脉冲丝材电弧增材制造，简称DSP-WAAM。

在钛合金的代表性参数中，20A低电流持续9.5秒，随后200A高电流作用0.5秒，再进入下一轮。

低电流阶段，利用已有热量配合送丝，控制金属逐步补入；

短促的高电流脉冲则把熔池展开，使其宽而浅。

下方高速摄影与示意图，展示了液滴形成、补料和熔池铺展的过程。

为什么一定要管熔池形状？

晶体是在液态金属与固态金属交界处向前长的。

合适的凸形凝固界面，有利于优势晶粒延续，也有利于淘汰竞争晶粒。

与此同时，熔池不能太深、太软，否则打印出来的悬伸部分会塌。

总结来说，

持续大电流会使结构塌陷，持续小电流又难以顺利熔丝，脉冲配合才得到合适的熔池。

左下方的凝固图则回答了另一层疑问。

横轴是凝固前沿推进速度，纵轴是温度沿空间变化的陡峭程度。

研究者并不要求它们始终固定，而是让下一轮打印后仍然保留下来的区域，满足沿原有晶体继续生长的条件。

需要被重熔的表层，可以在下一轮重新调整。

上面的图用模拟和实验对照，说明效果来自热输入的时间安排。

即使使用中间大小的恒定电流，熔池也会更深，凝固界面更接近平坦或内凹。

平均热量相近，并不意味着生长条件相同。

这些结果都是很宝贵的工艺经验。

下图主要讲了少量杂晶集中在最上方，下一层的重熔有机会将它们消除。

图中的末层表面仍能看到少量杂晶，作者判断，这些表层杂晶可在后续沉积时被重熔。

这给逐层纠错提供了直接依据。

理解了控热，再看论文主图2就有意思了。

论文主图2：从多晶基板到米级长棒，再到折弯晶格杆件，实物与晶体取向检测相互印证。

左侧把铌、钼铌合金和钼的多晶截面与单晶截面并列。

原先分块明显的晶粒边界，在制得的单晶区域中消失。

中间钛合金棒沿高度排列的截面，则记录了多个晶粒逐渐竞争、最后留下一个的过程。

作者累计制得超过120个钛合金单晶样品，也为工艺重复性提供了支撑。

这里有个容易误读的细节。

Ti-6Al-4V钛合金冷却时，高温β相会部分转变成α相。

因此，本文所说的单晶，指单一母β晶粒，并不意味着室温下只剩一种相，或每一片α组织都朝向完全相同。

所以，图中α相取向图仍然五颜六色。

研究者利用α相与母β相之间的取向关系进行重构，确认它们继承自同一个母晶。

更进一步，团队打印出了由单晶杆件组成的三维晶格。

折弯路径除了塑造外形，还能发挥筛选晶体的作用，让不利取向的晶粒在竞争中被淘汰。

原来需要专门安排的选晶结构特征，现在可以与零件路径结合。

再看下图，说明了倾斜杆能否稳定成形，要同时满足晶体生长条件和熔池受力条件。

上图把凝固与力学稳定性放在一起讲，并给出成功和失败实物。

特定参数下，较粗杆件能以60°倾角成形，却在45°时失稳；调整参数后，直径8毫米杆件实现45°成形。

免支撑能力有清楚的工艺范围。

再看另一张图，直径变化后，熔化材料、保持凸形界面和维持晶体延续，需要重新匹配。

上下边界之间才是可用区域，颜色表示满足生长条件的允许速度。

这表明方法具有继续放大的理论空间，另外应该能说明没理论尺寸上限。也就是说，未来可以打更粗的成果。

下图分别是直径6毫米和20毫米的样品，提供了尺寸调整的实验验证。

小直径样品检测了整个截面，大直径样品则在九个代表区域验证晶体取向。

重构后的母β取向基本一致。

但能3D打印出来还不够。

论文把重点放在高温蠕变上，也就是金属在持续载荷下，随着时间慢慢伸长的现象。

对于很多工况来说，比如航空航天的3D打印应用，高温构件即使没有立刻断裂，缓慢变形也可能影响尺寸与寿命。

看下图，论文主图3，变形速度、断裂时间和晶粒尺寸三个角度，共同检验单晶的性能收益。

左上图比较约600℃下的稳态蠕变速率，越低代表变形积累越慢。

左下图比较断裂时间，越高代表坚持得越久。

很明显可以看到单晶的厉害之处。

与化学成分相同的锻造多晶等样品相比，红色单晶数据整体表现出明显优势。

纵轴采用对数刻度，相邻大刻度之间相差十倍，图上的距离对应着可观的性能差别。

右上图尤其关键。

作者把不同晶粒尺寸的多晶样品放在一起比较，还加入淬火后组织更接近的对照。

结果发现，相对常规晶粒尺寸关系的预测，打印态单晶的抗蠕变能力还有约一个数量级的提升。

这意味着，收益额外来自内部晶体更精细的组织安排。

右下图再把实验与模型放到同一张时间曲线上。

两者总体吻合，帮助研究者把性能变化追溯到内部变形和损伤机制。

这里体现出的研究价值，是获得足够大的单晶后，终于能够系统测试这种钛合金的宏观性能。

其他图片可以还可以看出单晶的强度优势与温度有关。

约500℃以下，多晶对照的屈服强度更高。

温度升高后，单晶显示优势。

在约700℃，单晶屈服强度为243MPa，对照为81MPa。

下方显微观察解释了两类材料中不同的位错活动，也让应用定位更明确。

高温服役表现定是其长板。

再看这张图，升到约700℃后，单晶仍表现出更慢的蠕变和更长的寿命。

而下面论文的主图4综合整理了从毫米尺度孔洞追到纳米尺度界面，解释单晶为何能在高温下变形得更慢。

这张图上排是单晶，下排是多晶。

最左侧三维成像显示，蠕变断裂后的多晶中，孔洞更多、更大。

晶界及其交汇处容易成为孔洞起点，也为原子空位迁移提供通道，帮助损伤扩展。

但取消母晶粒边界，只解释了部分收益。

继续向右看，打印单晶内部还保留着细密的α片层，其间分布着厚度约63±24纳米的β相。两者形成了有取向关系的层级组织。

最右侧原子尺度图像显示，单晶中α与β之间我们理解为两侧原子排列有较好的对应。

多晶对照中的非共格界面则更不匹配。

它们会影响位错从哪里产生、怎样穿过组织。

位错可以想象成晶体内部促使原子逐步错动的线状缺陷。

高温持续受力时，位错的数量和移动能力，会影响材料变形的速率。

作者观察到，单晶蠕变后的位错密度较低，而且包含较多不易移动的位错；多晶中则出现大量更易活动的位错。

但这里我们没太看懂，大概理解就是这类不易移动的位错延缓了高温变形，不知道对不对。

再细看下图，把观察时间拉长，追踪单晶内部的变形过程。

这组显微图从变形前排到10小时、30小时和100小时，呈现位错及片层组织的演化。

不同衍射条件辨别不同位错类型，使主图4的机制分析有了时间维度的支撑。

再看下图，多晶中的晶界和相界面附近，更容易出现密集位错。

变形前后的对照表明，多晶在蠕变10小时后形成大量a位错。

下图是关于铌、钨、钼和钼铌合金的实物及取向检测，检验方法的材料适用性。

这些样品将研究从钛合金推进到难熔金属，为这些难加工材料建立了可继续研究的单晶增材制造路径。

回到开头的一米单晶长棒，这项工作的先进性就更清楚了。

团队把脉冲控热、熔池形状、逐层重熔和结构选晶组合起来，同时获得单晶生长与复杂成形的能力；

打印留下的层级组织，又进一步影响高温性能。

对3D打印而言，这项Nature研究已经给出了一个具体而积极的方向。

在设计零件外形时，把内部晶体如何生长、如何承载，也一起设计进去。

美妙的文章，恭喜研究团队！

论文信息：Additive manufacturing of ultralong and architected single crystals。Nature，2026年10月21日。

研究团队来自北京理工大学、清华大学、西安交通大学及加利福尼亚大学洛杉矶分校等单位。

文中图片均来自论文原文，扩展数据图对应原文Extended Data Figures。