长到一米的钛合金，晶粒只有一个

分类：科普 | 日期：2026-10-27

一块金属最结实的状态，是它内部从头到尾只有一颗晶粒。

据媒体报道，北京理工大学机械与车辆学院教授刘长猛团队首创微熔池非稳态脉动生长的单晶增材制造新方法，首次实现米级钛合金单晶增材制造，相关研究成果发表于《自然》。论文题为《增材制造超长与结构化单晶》，第一作者为刘长猛、清华大学航天航空学院副教授崔一南、博士后王嘉琛、北京理工大学博士生韩骁。《自然》同期配发评述，称这项工作为未来技术与科学发展创造了令人振奋的机遇。

为什么非要一整颗晶粒？这得从晶界说起。

金属内部不是均匀的，它是无数个小晶粒拼起来的，每个晶粒里原子排列方向一致，晶粒与晶粒之间那层交界，叫晶界。晶界是材料的薄弱环节：高温下原子会沿着晶界滑动，材料会缓慢地、不可逆地变形，这叫蠕变。航空发动机和燃气轮机的叶片，工作温度上千度、每分钟转上万圈，失效的主要方式正是蠕变。所以高端叶片要用单晶——把晶界全部去掉，敌人就没了。

传统单晶制备走的是定向凝固这条路：一头先冷却、一头后冷却，让晶体只朝一个方向长。它有三个硬约束——要预制籽晶当模板，要用模具约束形状，还要控制凝固方向。结果就是尺寸、形状、材料、成本四样，只能顾上几样。

增材制造看上去能绕开模具：以微熔池为基本晶体生长单元，逐点熔化、逐点凝固，一层层堆起来。可它带来了新的麻烦，而且麻烦恰恰来自它自己的优点。增材制造的热条件是快速变化的温度梯度、极高的冷却速率和反复的热循环，这严重偏离了经典单晶凝固理论所假设的准稳态热场。在这个环境里，晶体长着长着就分叉，长出取向不一致的杂晶。取向一旦乱了，就不是单晶了。所以难点变成了两件事：杂晶控制，和晶体取向的稳定保持。

这里还藏着一层不容易被看见的背景。我国增材制造产业整体已达到国际先进水平，可主流的增材制造工艺方法，大多原创于欧美国家。这次的工作是由我国团队提出并实现的金属增材制造新方法，走的是微熔池冶金学这条线，前后攻关十年。从工艺到理论模型都由自己建立起来，这跟把别人的方法用得更好，是两件不同的事。

团队的解决办法叫「深蹲脉冲」热输入。这个说法可以拆成两步理解：强热输入时，熔池变深，那些刚冒头、取向不对的小晶粒被重新熔掉，相当于清一次场；弱热输入时，熔池变浅，只让取向正确的晶体继续沿着原来的方向外延生长。一强一弱交替，晶体就一步步往上长。

这里有个反直觉的关键：它不是让晶体不许分叉，而是让分叉刚冒头就被熔掉。控制杂晶的办法不是抑制，是及时清除。正因为这样，它不需要预制籽晶，可以直接从多晶基板上长出高度达米级、直径达厘米级的单晶——起点交给了工艺本身，不再依赖一块事先准备好的模板。

光有热还不够。悬空的熔池要承受表面张力和重力，熔池太大就塌，太小就熔不透。团队把单晶凝固和悬空熔池的力学稳定性耦合起来，建立了力-凝固耦合的理论模型和可打印相图，用来确定哪些工艺参数既能保证外延生长，又能保证结构稳定。有了这个相图，才第一次实现了无需模具、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结构。

性能上，以航空航天常用的钛合金为模型材料，制备出的单晶抗蠕变性能较锻件和增材制造多晶有量级式提升，而且改善幅度明显超出了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：晶界的消除和内部两相组织的协同作用，改变了位错运动和孔洞形成的动力学。有一个发现值得单独提一句——即使在位错主导的蠕变条件下，晶界仍然对宏观性能有重要影响。这句话反过来讲就是：把晶界去掉带来的收益，比原来按晶粒尺寸推算出来的还要大。

方法的普适性也做了验证，团队还成功制造了钨、钼、铌以及钼铌合金的单晶。这几种都属于难加工、难熔的金属，能为深空核动力等领域所需单晶构件的研制提供制造基础。

需要说清楚的是，这是一项新工艺，不是一个已经装到机器上的零件。它的意义在于把单晶从受模具约束的实体构件，拓展为几何构型可以设计的空间结构——材料性能和结构功能，从此可以一起设计。

十年前的难关是能不能长出来，现在的难关是长出来之后能做成什么形状。