摘要：传统制造工艺遭遇强度与复杂度的双重瓶颈，金属增材制造（3D打印）以“层层堆叠”的颠覆性逻辑，正在重塑高端制造的未来图景。2017年以来，Nature和Science正刊上13篇金属增材制造重磅研究，揭示了增材制造领域的三大核心战场：新材料创制、工艺极限突破、多

传统制造工艺遭遇强度与复杂度的双重瓶颈，金属增材制造（3D打印）以“层层堆叠”的颠覆性逻辑，正在重塑高端制造的未来图景。2017年以来，Nature和Science正刊上13篇金属增材制造重磅研究，揭示了增材制造领域的三大核心战场：新材料创制、工艺极限突破、多学科技术融合。本文将带您解码顶级期刊中的科学密码，领略9年间金属增材制造变革。

2017【Nature】3D printing of high-strength aluminium alloys（第一单位：HRL Laboratories LLC；第一作者/通讯作者：John H. martin）

通过引入晶格匹配的纳米颗粒作为异质形核剂，成功实现了高强度铝合金（如7075和6061系列）的无裂纹3D打印。传统金属增材制造中，熔池快速凝固导致的柱状晶生长和热应力协同作用引发裂纹，这类高强铝合金无法被可靠加工。研究者通过静电组装技术将ZrH2纳米颗粒附着在合金粉末表面，在激光熔化过程中形成Al3Zr相，其与铝基体极低的晶格错配度（

2019【Science】Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing（第一单位：美国马里兰大学；第一作者：Huilong Hou；通讯作者：Ichiro Takeuchi）

弹体冷却是一种固态冷却技术，利用应力诱导相变释放和吸收的潜热。然而，与转化相关的迟滞不利于有效的能量转换和功能耐久性。本研究通过镍钛的增材制造，研发了热力学高效、低滞后的弹性高热量冷却材料。利用局部熔融环境和元素粉末的近共晶混合促进了纳米复合微观结构的形成，由富镍金属间化合物散布在二元合金基体之间。该微观结构允许在准线性应力-应变行为中出现极小的滞后，将材料效率提高了4到7倍，并在100万次循环中实现可重复的弹性热量性能。对弹性高热量冷却材料进行增材制造，可以对具有较长疲劳寿命的高性能金属制冷剂进行独特的微观结构控制。

2020【Science】Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting （第一单位：清华大学；第一作者：Cang Zhao；通讯作者：Cang Zhao、Anthony D. Rollett、Tao Sun）

激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）作为主流的金属3D打印技术，在面向疲劳敏感型应用时仍面临孔隙缺陷的挑战。部分孔隙源于高功率、低扫描速度条件下形成的深窄蒸汽凹陷——匙孔（keyhole）。研究表明，通过高速X射线成像技术可原位观测到钛合金Ti-6Al-4V中由匙孔尖端临界失稳引发的孔隙动态形成过程。实验发现，在功率-速度参数空间中，匙孔孔隙形成区间的边界呈现尖锐且平滑的规律性，且该边界在光板基材与粉末床之间的差异极小。临界匙孔失稳会在熔池内激发声波，这些声波为匙孔尖端附近的气孔提供了额外的关键驱动力，使其脱离匙孔区域并最终被凝固前沿捕获成为缺陷。这一发现揭示了孔隙形成的核心物理机制：匙孔失稳不仅通过流体力学效应直接导致孔隙产生，其引发的声波传播进一步加剧了熔池内气泡的迁移与捕获行为。研究还表明，工艺参数（如激光功率、扫描速度）与孔隙率之间具有显著相关性，高温、高功率或低扫描速度会加剧孔隙形成，而优化参数组合可有效抑制缺陷。该成果为建立基于物理机制的工艺窗口预测模型提供了重要理论依据。

2020【Nature】High-strength Damascus steel by additive manufacturing （第一单位：德国马普所；第一作者/通讯作者：Philipp Kürnsteiner）

激光增材制造技术通过计算机辅助设计模型实现金属粉末三维复杂构件的数字化生产，具有显著吸引力。该方法通过对加工参数的数字化调控，可实现合金微观结构的精准设计，例如利用高冷却速率和循环再加热效应。我们近期研究发现，这种被称为本征热处理的循环再加热过程，能够在铁镍铝合金的激光增材制造中诱导镍铝化合物的原位析出。本文报道一种专为激光增材制造设计的Fe19Ni5Ti（重量百分比）钢体系。该材料通过镍钛纳米沉淀相的原位析出实现强化，同时可在200℃的工艺温度下触发马氏体原位相变。制造过程中对纳米析出相和马氏体相变的局部调控，构建了从百微米级加工层到纳米级析出相的多尺度微观结构体系。受古代大马士革钢（通过铁匠折叠锻造形成软硬交替层状结构）的启发，我们成功制备出具有软硬交替层状结构的新型材料。该材料展现出1300兆帕的抗拉强度和10%的延伸率，力学性能显著优于古代大马士革钢。本文采用的原位沉淀强化与局部微观结构控制原理，可推广应用于各类沉淀硬化合金及不同的增材制造工艺。

2021【Science】In situ design of advanced titanium alloy with concentration modulations by additive manufacturing（第一单位：香港城市大学；第一作者：Tianlong Zhang；通讯作者：Tao Yang、Yunzhi Wang、Chain-Tsuan Liu）

在增材制造过程中实现微观浓度调制作者巧妙地利用激光粉末床熔化（L‑PBF）技术，通过预混合Ti‑6Al‑4V和316L不锈钢粉末，在每个熔池内因快速凝固与部分均匀化效应下，形成了微米级别的局部成分偏析，也就是所谓的“微观浓度调制（microCM）”。这一过程中，原本在传统增材制造工艺中被认为是不利的完全均质化问题，反而被转化为一种有利于实现成分和微结构局部调控的优势。得益于这种成分调制，材料在固化过程中自然形成了α′马氏体和亚稳定β相组成的双相微结构。这种结构具有渐进式的转变诱发塑性（TRIP效应），使得合金在变形过程中能逐步释放应变，从而大幅提升了加工硬化能力，并实现了高抗拉强度（约1.3 GPa）和不错的均匀延伸率（约9%）的平衡表现。显著提升晶粒细化与工艺整合 微观浓度调制不仅优化了相结构，还通过增强局部成分冷却（constitutional supercooling）效应，实现了超细晶粒（平均尺寸约16 μm）的形成。这不仅解决了传统增材制造Ti合金中常见的柱状晶问题，而且为材料性能的整体提升奠定了基础。此外，该方法将合金设计与制造过程有效融合，一步成型实现功能性和结构上的多重优化，开辟了高性能合金的一体化创新设计新途径。工艺与材料设计的深度融合 相较于传统的单一制备工艺，该研究提出了一种全新的“原位设计”（in situ design）理念，在增材制造过程中就能实现合金成分、相结构和晶粒结构的多参数调控。这种方法不仅为解决LPBF成形钛合金固有问题提供了思路，也为其他金属材料的增材制造与功能化设计树立了范例。

2021【Science】Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing（第一单位：南京航空航天大学；第一作者/通讯作者：顾冬冬）

激光金属增材制造能力已经从单材料打印发展到多材料/多功能的设计和制造。材料结构-性能集成增材制造（MSPI-AM）代表了一条具有创新结构和多材料布局的最终用途部件集成制造的道路，以满足航空、航天、汽车制造和能源生产等行业日益增长的需求。本研究强调了MSPI-AM的两种方法理念——“在正确位置打印的正确材料”和“为独特功能打印的独特结构”——以实现性能和功能方面的重大改进。通过建立如何主动利用跨尺度机制来协调纳米/微尺度材料的开发、中尺度过程监测、宏观结构和性能控制，以实现多功能的高性能。MSPI-AM是AM的设计和制造战略革命及其技术增强和可持续发展的典范。

2022【Nature】Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing（第一单位：马萨诸塞大学；第一作者：Jie Ren、Yin Zhang；通讯作者：Ting Zhu、Wen Chen）

增材制造通过逐层堆积成型的方式制备净形零部件，已广泛应用于工程领域。采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术增材制造金属合金时，剧烈的温度梯度与快速冷却过程可在纳米尺度实现微观结构细化，从而获得高强度。然而，激光增材制造制备的纳米结构高强合金往往面临塑性不足的挑战。本研究利用L-PBF技术制备了AlCoCrFeNi2.1成分的双相纳米层状高熵合金（HEAs），其表现出约1.3 GPa的高屈服强度与约14%的均匀延伸率，性能优于当前最先进的增材制造金属合金。其高屈服强度源于面心立方（FCC）与体心立方（BCC）交替排列的纳米层状双相结构的协同强化效应：其中BCC纳米层展现出比FCC层更高的强度与加工硬化率。优异的拉伸塑性则归因于打印态多级微观结构的高加工硬化能力——即嵌入微米级共晶团（具有近乎随机取向以促进力学性能各向同性）中的双相纳米层状结构。这一关于增材制造高熵合金变形行为的理解，对开发具有多级结构、双相/多相纳米结构的高性能合金具有重要启示。

2023【Science】Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion（第一单位：美国弗吉尼亚大学；第一作者：Zhongshu Ren；通讯作者：Tao Sun）

孔隙缺陷是当前阻碍激光金属增材制造技术广泛应用的主要瓶颈之一。当激光能量输入过高导致不稳定的蒸汽凹陷区（即匙孔）形成时，会产生匙孔。本研究通过同步辐射高速X射线成像与热成像联用技术，结合多物理场模拟，揭示了Ti-6Al-4V激光粉末床熔融（L-PBF）中两种匙孔振荡模式。基于此发现，我们利用机器学习开发了一种孔隙随机生成事件检测方法，其时间分辨率达亚毫秒级且预测准确率接近完美。得益于原位X射线成像技术实现的高精度数据标定，该方法可便捷集成至商用增材制造系统，具备显著工程应用价值。

2023【Nature】A 3D printable alloy designed for extreme environments（第一单位：NASA；第一作者/通讯作者：Timothy M. Smith）

多主元合金因其卓越的机械性能与抗氧化能力（尤其在极端环境中）成为一类极具应用潜力的材料。本研究通过模型驱动的合金设计方法与激光增材制造技术，开发了一种新型氧化物弥散强化（ODS）镍钴铬基合金——GRX-810。该合金通过激光粉末床熔融（L-PBF）技术将纳米级Y₂O₃颗粒均匀分散至整个微观结构中，且无需传统高能耗的机械合金化或原位合金化工艺。通过高分辨率显微结构表征，我们证实了纳米氧化物在GRX-810材料体积内的成功弥散分布。实验结果表明，与广泛用于增材制造的传统多晶锻造镍基合金相比，GRX-810在1,093°C下的强度提升2倍，蠕变性能提高超过1,000倍，且抗氧化性增强2倍。这一成果凸显了模型驱动设计相较于传统“试错法”在高效开发高性能合金方面的优势，同时展示了弥散强化与增材制造结合对加速革命性材料发现的潜力。

2023【Nature】Strong and ductile titanium–oxygen–iron alloys by additive manufacturing（第一单位：澳大利亚皇家墨尔本理工大学；第一作者：Tingting Song、Zibin Chen；通讯作者：Simon P. Ringer、Ma Qian）

这篇文章研究了通过增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术设计和制造高强度、高韧性的钛-氧-铁（Ti–O–Fe）合金。主要目的是克服氧和铁在传统钛合金中的使用限制，如氧导致的脆性增强和铁的微观偏析现象，以开发性能卓越的α–β钛合金。

文章的创新点包括：整合合金设计与增材制造工艺：通过模拟和实际实验，优化了增材制造工艺，使其能够有效地制造具有一致微观结构的Ti–O–Fe合金。利用丰富的氧和铁元素：这些元素不仅经济实惠且易得，还可用于工业废料（如“低等级海绵钛”）的回收利用，降低碳足迹并提升经济和环保价值。独特的微观结构特性：研究发现，Ti–O–Fe合金中的氧分布具有纳米尺度的异质性，导致α相内高氧（强）和低氧（韧性）区域。这种分布显著影响了原子键合性质，从而提高合金的拉伸强度和延展性。支持工业应用的可行性：设计的合金具有较大的增材制造工艺窗口，拉伸性能卓越，展现出广泛的工业应用潜力。

文章提供了一条利用增材制造技术开发强韧金属的新路径，同时为解决钛和锆金属中的氮或氧脆性问题提供了潜在方向。

2024【Nature】-High fatigue resistance in a titanium alloy via near-void-free 3D printing（中科院金属所：第一作者：Zhan Qu；通讯作者：张振军，Robert O. Ritchie，张哲峰）

增材制造（AM）作为结构材料的重要制备技术，其核心优势因制件疲劳性能不足而长期受限。现有研究表明，AM工艺过程中产生的微孔缺陷是导致疲劳性能恶化的主因。基于此，我们提出关键问题：消除微孔能否显著提升AM合金的疲劳抗力？通过深入解析相变与晶粒生长的异步性，本研究开发出无孔增材制造（Net-AM）工艺，并在Ti-6Al-4V钛合金中成功构建近无孔微观结构。实验表明，该结构使材料疲劳极限突破1 GPa，显著优于传统AM钛合金、锻造钛合金及其他金属材料。这一成果不仅验证了Net-AM技术对疲劳性能的革命性提升，更凸显增材制造在制备极限疲劳强度结构件中的独特潜力，为工程领域拓展AM技术应用提供了新范式。

2024【Science】Ultrauniform, strong, and ductile 3D-printed titanium alloy through bifunctional alloy design（第一单位：澳大利亚昆士兰大学；第一作者：张敬奇，Michael J. Bermingham；通讯作者：Matthew S. Dargusch）

这篇文章主要研究了如何利用一种“双功能合金设计”策略，通过在Ti-5553钛合金中加入少量Mo（最多5.0 wt%）颗粒，来直接在激光粉末床熔化（L-PBF）3D打印过程中调控合金的微观结构和相组成，使得打印出的钛合金具有超均匀的机械性能，同时兼备高强度和良好延展性。3D打印钛合金常常会出现粗大的柱状晶粒和沿构建方向分布不均的相，这会导致机械性能参差不齐和各向异性问题。传统上需通过后续热处理来改善，但这既耗时又增加额外成本，而且往往难以同时兼顾强度与延展性。本研究中选择了Ti-5553这一亚稳态β钛合金作为模型体系，并通过在原粉末中加入Mo颗粒，探索了一种在打印过程中就能实现微观结构控制的新方法。文章通过系统的实验表征（包括EBSD、SEM、TEM以及DICTRA扩散模拟）详细研究了Mo颗粒在固化过程中的作用和其对晶粒形态、晶体取向以及相分布的影响。

一方面，部分Mo颗粒在高温熔融池中并未完全熔化，其存留的固核作用作为异质成核源促进了细小等轴晶的形成，从而将原本容易形成的粗大柱状晶转变为较为均一的细晶结构。这一机制有效打破了打印过程中常见的强烈晶体取向和纹理问题，改善了部件的各向同性机械性能。另一方面，Mo部分溶解后会富集在周围形成局部超冷区域，这有助于稳定β相、抑制不利相（如a相或w相）在反复热循环中的析出，从而达到整体相组成均一化。这种调控策略使得材料无需额外后处理，便可在打印状态下直接获得优异且均匀的力学性能。

文章展示了一种直接在增材制造过程中，通过单一添加剂实现多方面微观结构优化的设计思路。这种基于流程的“现场设计”思路，不仅解决了传统工艺中合金性能各异的问题，而且为其他金属体系提供了一种全新的、集成化的性能提升途径。通过这种双重作用，Ti-5553+Mo合金在保持与原始Ti-5553相近的屈服强度的同时，大幅改善了延展率和整体性能均一性。这不仅在理论上为增材制造金属材料的制备提供了新思路，也为实际工程中对力学稳定性有严格要求的钛合金应用奠定了基础。

2025【Science】Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing（第一单位：伦敦大学学院；第一作者：Xianqiang Fan；通讯作者：Xianqiang Fan；Chu Lun Alex Leung；Andrew Kao；Peter D. Lee）

这篇文章研究了激光焊接和激光粉末床熔融（LPBF）过程中的关键孔不稳定性及其导致的孔洞形成。作者通过高精度同步加速器X射线成像，揭示了关键孔后壁流涡所引发的突出是导致关键孔不稳定的主要原因。此外，他们应用横向磁场来抑制关键孔不稳定性，通过驱动一种热电磁流体动力学（TEMHD）二次流来改变流涡结构，从而降低关键孔突出和大振幅振荡。

本研究首次证明横向磁场能有效调控关键孔动态，显著减少孔洞形成。 提出了关键孔后壁涡流和突出在孔洞形成中的关键角色。阐明了Seebeck效应与磁场相互作用引发的洛伦兹力如何影响关键孔稳定性。 研究了不同材料（如高硅铝合金）的热电效应与稳定性机制的关系。

通过这一研究，作者为利用磁场调控关键孔动态和改善激光加工质量提供了新的理论依据和应用前景。

来自：AM letters

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来源：江苏激光联盟