北京理工大学刘长猛教授团队
首创微熔池非稳态脉动生长的
单晶增材制造新方法
打破传统依赖准稳态凝固的单晶生长模式
首次实现米级钛合金单晶增材制造
开拓增材制造发展新赛道
相关研究成果于10月21日
正式发表于《Nature》期刊
期刊同步配发 News & Views 评述
称该工作“为未来技术与科学发展创造了
令人振奋的机遇”
（creates exciting opportunities
for future technological and
scientific developments）
论文题为“Additive manufacturing ultralong and architected single crystals”。该工作的第一作者为北京理工大学机械与车辆学院教授刘长猛、清华大学航天航空学院副教授崔一南、清华大学航天航空学院博士后王嘉琛(现就职于南京师范大学)、北京理工大学机械与车辆学院博士生韩骁，通讯作者为北京理工大学刘长猛、清华大学崔一南、加州大学洛杉矶分校Yinmin Morris Wang。
01
理论突破：强非平衡场下的无籽晶 无杂晶单晶稳定生长
增材制造快速变化的温度梯度、高冷却速率和反复热循环等热条件，偏离经典单晶凝固理论通常采用的准稳态热场假设，使杂晶控制、晶体取向的稳定保持成为核心挑战。
团队提出“深蹲脉冲”热输入增材制造新方法，通过强弱交替的热输入调控熔池演化，在强非平衡条件下建立单晶生长的动态稳定性。该方法无需预制单晶籽晶，可从多晶基板直接生长出高度达米级、直径达厘米级的单晶，展示了剧烈交变热条件下实现长程取向保持的可行性，拓展了单晶稳定生长的理论边界。
02
构型突破：耦合力学与凝固学实现无模具 无支撑悬空单晶结构制造
制造复杂单晶结构，不仅要保持晶体取向，还必须防止悬空熔池失稳。研究团队耦合单晶凝固与悬空熔池力学稳定性，建立力-凝固耦合理论模型及可打印相图，确定兼顾外延生长与结构稳定的工艺策略。
这一方法首次实现了无需模具、无需额外支撑的复杂单晶结构制造，包括由曲折单晶杆件组成的点阵。单晶由此从受模具约束的实体构件，拓展为几何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提供了新可能。
03
性能突破：超越晶粒尺寸效应的抗蠕变性能提升
以航空航天常用的 Ti-6Al-4V 钛合金为模型材料，研究团队展示了增材制造单晶极致性能。制备钛合金单晶的抗蠕变性能较锻件及增材制造多晶有量级式的提升，且改善幅度显著超出常规晶粒尺寸标度律的预测。
多层级组织表征与晶体塑性建模揭示，晶界消除与内部α/β 相组织协同作用，改变了位错运动和孔洞形成动力学。研究发现，即使在位错主导的蠕变条件下，晶界仍对宏观性能具有重要影响，为优化单晶合金的高温服役能力提供了新的机制认知。
04
应用拓展：跨越材料体系 降低制造门槛
该方法具有很强的普适性，研究团队还成功制造了钨、钼、铌及钼铌合金单晶，展示了该方法对多种难加工难熔金属的适用性，为深空核动力等领域所需单晶构件的研制提供了制造基础。
该技术基于丝材电弧制造平台，减少了对专用模具和复杂精密控温装备的依赖；相较粉末增材制造，丝材原料也具有成本优势，为扩大制造规模、降低单晶应用门槛提供了条件。审稿人将这项工作评价为“工业制造领域的重要里程碑”。
研究工作得到了国家自然科学基金（52522506，12222205）、国家重点研发计划（2022YFB4601900）、清华大学笃实计划的资助。
刘长猛
北京理工大学教授、博士生导师
北京理工大学机械与车辆学院教授/博士生导师，智能检测与增材制造研究所所长。长期开展增材制造微熔池冶金学、智能增材制造装备与机器人等研究。主持了国家重点研发计划项目（首席科学家）、国家自然科学基金青年科学基金项目（B类）/叶企孙基金、国家重点领域基础科研重点项目等10 余项。以第一/通讯作者在Nature、Additive Manufacturing等期刊发表SCI 论文60余篇。第一发明人授权国家发明专利21 项。成果应用于船舶、兵器、航天、航空、建筑等领域。担任国家中长期发展规划（2021-2035 年）“增材制造与激光制造”领域规划青年专家、中国机电一体化协会理事等。
崔一南
清华大学航天航空学院工程力学系长聘副教授、博士生导师
清华大学航天航空学院工程力学系长聘副教授，博导，国家优青。从事极端环境力学理论与计算，及自适应结构设计与制造研究。面向先进能源与动力装置中涉及到的强辐照、强冲击等极端环境下的金属材料变形失效关键科学问题，开展多尺度多物理场耦合的力学理论、计算及实验设计研究。基于人工智能及增材制造，设计并制造极端环境防护新材料与新结构。主持国家优秀青年基金、国家自然科学基金面上项目（2项）、科技部重点研发计划项目课题等。担任中国力学学会产学研工作委员会副主任，国际期刊《International Journal of Plasticity》及《Materials Theory》编委，《Tungsten》、《应用力学学报》、《应用数学与力学》青年编委等。
Yinmin (Morris) Wang
加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料与科学工程学院教授
在2004年成为Harold Graboske Fellowship奖学金首任获得者，曾在Lawrence Livemore国家实验室工作了17年，美国物理学会的资深会员，曾获得Nano50创新奖、LNL等多项奖项，研究方向包括金属增材制造的结构-性能关系、纳米结构材料的力学性能和锂离子电池等。
团队以增材制造微熔池为基础研究单元，开展微熔池智能体、微熔池群控与群智、智能增材制造装备与机器人等装备跨尺度研究，以及米级单晶、十米级钛合金、百米级点阵结构、千米级海洋浮式平台等结构跨尺度研究。研究成果对推动深远海装备制造变革、开拓深远海基建具有重要战略意义，近年来得到人民日报、新华社、央视等主流媒体的关注。
2024年3月，研究成果入选京津冀协同发展十周年成果。
2025年1月，研制出国内最大20米级40弧并行金属3D打印机。
2026年9月，央视《新闻直播间》报道了团队跨尺度增材制造天津中试平台。
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