清华大学林峰教授团队：液态金属辅助过程实现3D打印高效可持续制造和材料性能优化

时间：2025-11-05 09:47 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

一、研究速览
激光粉末床熔融技术（LPBF）是金属3D打印的主流工艺，但它依赖于固态粉末堆积床，即后铺设的上层粉末完全由先铺设的下层粉末及工作台支撑（图 1），其代价是需要大量粉末来填充成形缸以构成粉末床。虽然未转化为零件的粉末可以被回收复用，但存在多个结构性限制：

成形过程中粉末利用率低，极高的材料成本制约了粉末床增材制造技术的大型化和应用的规模化；
层间热梯度大，导致残余应力集中与开裂；
传统粉末床热导性差，组织调控存在困难。

△图 1 现有增材制造的粉末床工作原理

如何提高成形时粉末利用率实现低成本和高效增材制造，以及进一步发挥其成形过程对材料组织的精准调控一直是该领域的核心难题。清华大学机械系林峰教授首次提出液态金属辅助液浮粉末床激光增材制造技术（Liquid Metal-Assisted Laser Powder Bed Fusion, LMA-LPBF，图 2），通过液态金属锡的低熔点高沸点的物理特性优化增材制造的热管理过程，实现了“液—固协同”的动态打印环境，揭示了热管理—组织演化—性能优化的内在机理。它不仅在理论上拓展了增材制造的热场控制范式，也为工业领域的大型构件、功能梯度材料和多金属复合打印提供了全新的解决思路。解决了传统激光粉末床熔融（LPBF）技术中长期存在的“固化束缚”，为3D打印高性能金属材料开辟了全新路径。

相关研究在国际权威期刊《国际机床制造杂志》（International Journal of Machine Tools and Manufacture，if：18.8）被发表，论文题目为：“A novel in-situ field-assisted powder bed laser fusion using liquid metal enabling microstructure control and strength enhancement of austenitic steel”。第一作者为清华大学机械系助理研究员梁啸宇与四川大学博士生汪育荣，通讯作者为清华大学机械系林峰教授。论文其他作者有清华大学机械系张磊副研究员和清华大学机械系24届硕士毕业生刘威、孙一卓，23级硕士生肖不为、25级博士生刘庆泽，以及四川大学彭华备教授，广西大学周俊助理教授和广西大学25届硕士毕业生吕鹏程等合作人员。该研究得到国家自然科学基金原创探索计划及其延续项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2025.104334

△图 2 LMA-LPBF成型工艺示意图如图(a–c)所示，被红色虚线框所包围。在LMA-LPBF成型过程中：（a）随着零件高度增加，构建平台逐层下降；（b）粉末铺展装置将新粉末层铺展于表面；（c）激光熔化指定区域。该循环持续进行直至零件完全成型。成功制造的基础要求是：平台移动与粉末铺展过程均不得破坏液态金属上浮的粉末床完整性与平整度（a）。此外，液态金属卓越的表面张力可稳定支撑粉末床（b），从而实现经济高效的制造路径。值得注意的是，液态金属卓越的导热性可更精确控制凝固过程中微观结构的演变（c），从而为定制材料性能创造可能。

二、核心创新：让“金属粉末漂浮”在液态金属上
液态金属辅助液浮粉末床激光增材制造技术利用用液态金属取代固体粉末床，构建“液浮打印平台”：

选用液态锡作为高导热的承载介质；
金属粉末在表面张力作用下稳定漂浮于液态金属表面；
激光熔融区形成“局域液面—固化界面”的动态热场，实现能量的快速传导与均匀分布。

这一独特设计带来了显著优势：
1.粉末消耗量降低约50%；
2.冷却速率与凝固梯度可控，抑制了残余应力；
3.晶粒细化、织构优化，获得了更高的强度与延展性平衡；
4.实现了可重复和可大型化的增材制造装备的成形过程热管理策略。

三、学术与工程意义：：液体金属热管理过程重塑3D打印过程
1. 创新性工艺理念
与传统基于粉末堆积的增材制造方法不同，LMA-LPBF 技术以漂浮在液态金属表面的薄粉层取代了固态粉末床，实现了热场与成形环境的精确控制，显著降低了粉末消耗，为高效、可持续的金属增材制造提供了新思路。

2. 制造效率与可持续性并重
LMA-LPBF高热传导性与液态支撑特性，使得成形过程更加稳定、能效更高，在保证结构强度的同时降低制造成本，符合未来工业界对资源利用率与可持续制造的迫切需求。

3. 微观结构可设计化的新范式
本研究展示了通过液态金属调控晶粒尺寸、析出行为及位错强化机制的潜力，预示着材料微观结构可编程化的发展方向，为精确设计材料性能提供了全新的技术路径。

4. 跨材料体系的广泛适用性
所揭示的液—固协同热调控机制具备普适意义，可拓展至航航天、汽车、以及生物医学材料等对高强度与高韧性兼顾要求极高的领域。

四、关键结果：微观组织与性能双控
实验结果表明，采用LMA-LPBF制备的奥氏体不锈钢在组织与力学性能上实现突破：

液态金属锡带来的热管理能力使得激光不仅能够细化晶粒，还能够实现对细晶区的调控；

图 3 （a）水平截面EBSD图像显示LMA-L-PBF技术能在不同归一化等效能量密度值下调控异质结构。E0∗值将影响细晶区尺寸：热输入不足会激活材料的异质成核，而过量热输入则导致晶粒长大。（b）不同E0∗值对应的平均晶粒尺寸分布。（c）高角度晶界占比及KAM值随E0∗变化的趋势。

快速冷却过程使得奥氏体钢内部形核率显著提升；

图 4 （a）透射电子显微镜图像及对应的(g1-g10)能谱图像显示Cr、Mo、Nb、O、Ti、Mn和Si元素向凝固细胞壁的偏析。高分辨率透射电子显微镜图像显示纳米析出物分别为：（b）MnSiO₃和（c）TiO₂。（d）暗场透射电子显微镜图像表明，MA-ASS的晶胞边界被高密度纳米相所改性。（e）沿位错晶胞壁的析出物放大视图。(f) 析出相和位错形成的“锤链”结构示意图。

成型的异质奥氏体钢的屈服强度超过1.1 GPa，抗拉强度为1.5 GPa，同时保持了7%的平均均匀伸长率；

图 5 MA-ASS与316L不锈钢的 (a)拉伸工程曲线；(b)分别由激光粉末床熔融(L-PBF)和激光熔化-粉末床熔融(LMA-LPBF)工艺制备的试样真实应力-应变曲线； (c) 对应的应变硬化速率与真实应变关系；(d) 增材制造316L不锈钢的极限抗拉强度与均匀伸长率对比总结，包含本研究数据、激光粉末床熔融、定向能量沉积及电子束粉末床熔融工艺数据。

(责任编辑：admin)

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