通过调节液态短程有序性设计可打印合金

为什么金属3D打印仍然存在困难

金属3D打印可以制造复杂零件并减少浪费，但大多数现有工程合金在打印时仍会开裂或变形。本文解释了一种新的途径，通过关注不是固态金属而是刚要凝固的熔池中隐藏的原子格局，来让更多合金变得可打印。

从平滑层到隐蔽裂纹

在金属增材制造中，强大的热源迅速熔化并再固化粉末或金属丝。金属冷却非常迅速，长柱状晶往往生长而不是形成许多小晶粒。这些高耸的晶粒沿热流方向排列，使打印件在不同方向上表现不同并更易发生热裂纹。传统的解决办法，如热处理或巧妙的激光扫描路径，只有部分效果且可能削弱材料。许多高强度铝合金和镍合金在没有裂纹或极端织构的情况下仍然很难打印。

改变局面的合金调整

研究人员尝试通过重新设计合金来绕开这些问题，使更多晶粒在金属凝固时起始形成。一种方法是加入微小颗粒，这些颗粒成为高温相并作为新晶粒的成核种子，正如曾被视为“不可打印”的7075铝所展示的那样。另一些工作则通过调控凝固路径，使较软的相在冻结后期出现，将危险的拉应变转化为更安全的压应变并减少裂纹。这些思路改善了晶粒细化与韧性，但它们仍将熔融金属视为简单、无序的液体。

液态金属中的隐藏有序

新的实验和模拟显示，液相本身可以携带微妙的原子格局。在许多过冷金属熔体中，原子会短暂排列成小型的类二十面体簇，其中一个原子被十二个邻近原子包围。这些母体被称为二十面体短程有序，可能类似于某些复杂固相的构件单元。综述表明，在3D打印的快速冷却条件下，这类母体可以作为固体晶体的模板，产生具五重类对称性和大量孪晶界的特殊晶簇。这些特征现已在通过现代打印工艺制备的铝、镍基高温合金和不锈钢中被观察到。

晶体成核的新途径

因为这些液相母体不同于最终的晶体结构，它们不符合晶体如何开始形成的传统图景。相对于单一固相直接从无特征液体中出现，体系可以通过亚稳态态：包含二十面体格局的复杂间金属化合物，甚至只是液体中富集这类母体的致密区。固体晶粒随后在这些模板上成核，常以成组的方式出现并通过孪晶互相关联。这种“ISRO介导”的成核可以在熔池边界处产生许多细小、等轴的晶粒，即使在本会长柱生长的合金中亦然。与此同时，相同的母体可减缓扩散并提高熔体粘度，微妙地改变熔池流动和缺陷形成的方式。

从液相出发设计合金

文章主张控制这些短暂出现的液相结构可以成为可打印合金的强有力设计杠杆。通过精心选择合金元素和工艺条件，使在合适的温度和冷却速率下有利的二十面体母体得以形成，工程师可以触发晶粒成核的爆发并在单次打印过程中创建富孪晶的显微组织。这种对金属液相的“量子工程”将超越对固相的微调，转而协同设计合金与打印路径以调控局部液相有序性。综述在结尾概述了在运行熔池中观测这些母体并将其转化为实用设计规则所需的实验与模拟工具，为制造更抗裂、各向同性更强的金属3D打印件铺平了道路。

引用: Charpagne, M.A. Designing printable alloys by tuning liquid short-range order. Commun Mater 7, 129 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01180-3

关键词: 金属增材制造, 短程有序, 晶粒细化, 孪晶界, 合金设计