增材制造是先进制造领域国际竞争焦点方向。当前，我国增材制造产业已达到国际先进水平，但主流增材制造工艺方法多原创于欧美国家。刘长猛团队聚焦增材制造微熔池冶金学，十年攻关探索单晶制造新方法，首次实现工业级金属单晶增材制造，突破尺寸、结构、材料与成本四大瓶颈，作为我国原创金属增材制造新方法发表在《Nature》, 开拓增材制造发展新赛道。
单晶材料是航空发动机与燃气轮机、先进核能装置、半导体等领域战略性基础材料。传统单晶制备主要依赖籽晶、模具和定向凝固，难以兼顾大尺寸、复杂构型、多材料适用性和低成本制造。单晶增材制造以微熔池为基本晶体生长单元，通过逐点熔化和定向凝固，突破了传统单晶“尺寸受限、形状受限、材料范围窄、成本高”的瓶颈，实现米级、复杂构型、跨材料体系、低成本单晶制造。
研究团队所发表的论文题为“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。
https://www.nature.com/articles/s41586-026-11185-0
Nature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）
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。
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。
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。
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。
以上转载自：
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