2026年8月2日，来自美国西北大学机械工程系的孙涛副教授及合作者发表了一项新研究，表明激光增材制造过程中冷却速率和温度梯度不仅影响金属熔池的原子级排列，还决定了晶粒结构的形成方式。这项研究成果发表在《自然通讯》期刊上，标题为“Operando X-rayscattering
reveals ordering-mediated solidification in additive manufacturing/原位 X
射线散射揭示增材制造中有序介导的凝固”，为增材制造行业提供了一种新的原子尺度手段，用于预测和控制打印金属零件的微观结构。
金属凝固中的盲点
激光粉末床熔融和其他激光增材制造 (LAM) 工艺已经能够为航空航天、医疗和能源应用生产先进的部件，但复杂合金中产生的微观结构仍然难以预测，这阻碍了 LAM 在最关键的安全环境中的应用。传统上，材料科学家围绕两个变量来模拟凝固行为：冷却速率和液固界面处的温度梯度。孙教授的团队与林高、凯尔·穆姆和任忠书等合作者一起，着手检验一个经典模型完全忽略的因素：熔融金属在凝固之前内部原子的结构排列。研究团队利用原位同步辐射X射线全散射技术，结合快速对分布函数（PDF）分析，实时捕捉了Inconel 718及其他合金熔池的行为，而非事后从凝固后的成品零件中重建。这些测量是在阿贡国家实验室先进光子源（APS）的1-ID-E光束线上进行的，光束线是一套全场X射线成像装置，能够实时解析这些瞬态原子尺度的动力学过程。
△原位X射线对分布函数测量揭示了激光增材制造中熔池的原子结构和有序化介导的凝固过程。图片来自西北大学
X射线揭示凝固过程原子排布状态
X射线测试数据显示，熔融金属并非人们通常认为的均匀无结构的液体。相反，它包含有序的原子团簇，这些团簇展现出短程和中程有序性，包括二十面体团簇排列。随着凝固过程的进行，部分团簇会被选择性地消耗，并重组为微小的孪晶结构，而不是形成大的有序晶体。这种路径会产生异常细小的晶粒和独特的内部边界，研究团队将其与异常的柱状晶向等轴晶转变（CET）直接联系起来。这种现象在打印金属中早已被观察到，但此前并未追溯到特定的原子尺度机制。
孙教授表示：“这项研究揭示了异常晶粒结构的形成原因以及如何控制这些结构，有助于消除金属3D打印技术在日常应用中的一大障碍。了解金属在原子层面的凝固过程，能够帮助工程师设计出更轻、更坚韧、更耐用的零件，同时减少浪费、能源消耗、反复试验和代价高昂的故障。更广泛地说，我们的研究表明，前沿科学有望转化为制造业的实际改进。”
从观测到实时控制
这项研究的直接贡献在于诊断层面：直接证实了液态原子结构会影响凝固路径，这一结论是在活性熔池内部观察到的，而非从最终的微观结构推断而来。但孙教授的研究团队将这项研究成果视为两项后续工作的基础。第一项工作是改进预测模型，基于测量的液态原子结构而非对无特征熔体的假设来构建。第二项工作则着眼于更长远：开发实时监测和反馈控制系统，以便在打印过程中调整参数，从而引导晶粒的形成。孙教授表示：“如果能够实现，我们就可以可靠地制造出具有预先设计性能的零件。”
在工艺控制方面，孙教授的研究团队目前致力于微调金属在粗大柱状晶粒和更细小、均匀分布的晶粒之间的转变，他们通过调整合金成分和打印参数来实现这一转变。与此同时，团队也在数据方面进行着类似的努力。他们希望不再依赖那些预设熔体中原子排列方式的模型，而是直接从X射线测量数据中重建实际的原子结构。
更精细的结构分析和更严格的凝固控制这两条线索共同决定了下一步的研究方向。
△基于单道打印的Inconel 718线激光定向能量沉积（DED）三维加工图。图片来自西北大学。
局限与挑战
此外，这项研究同样存在局限性：即使新的机制已被确定，拟合方法本身也存在不确定性；小盒子概率密度函数（PDF）拟合需要预先选择结构基元，作者指出，在峰特征不那么明显的原位数据中，这种方法风险更大。此外，由于没有适用于整个合金的原子间势，他们的分子动力学模拟也仅限于三种主要元素（Ni、Fe、Cr）；而且，数据中出现了罕见的五重孪晶晶粒团簇，而他们提出的双晶粒孪晶模型无法完全解释这些团簇。研究结果也受到范围的限制：所有测量均来自单道熔覆层，虽然单独的块状样品证实了层间存在相同的转变，但块状样品区域略小，作者将其归因于单道熔覆层和块状熔覆层熔池几何形状和热历史的差异。合金化学成分的作用也尚未明确，他们的数据不支持铌是驱动因素（如先前研究表明的那样），但他们也无法排除更细微的成分影响，而这些影响是他们的测量未能分离出来的。
这项工作的资金来自美国国家科学基金会，项目编号为 DMR-2427686，此外，布鲁克海文国家实验室 NSLS-II 的 18-ID (FXI) 光束线也为任教授的贡献提供了额外支持。
超越GR模型，探索粮食控制的新途径
孙教授的研究成果填补了金属增材制造领域的一个重要空白：长期以来，工程师们一直依赖冷却速率和温度梯度（即经典的“GR”框架）来预测晶粒形成，并将熔融金属视为一种无差别的液体。本研究表明，熔池内部的原子尺度有序性决定了柱状晶与等轴晶的生长方向，从而将微观结构重新定义为源于液态物理学，而不仅仅是工艺参数，这为通过调控合金化学成分或激光条件来直接塑造晶粒结构开辟了道路。
更广泛的领域一直在从其他角度研究这一目标。弗劳恩霍夫协会和皇家墨尔本理工大学的研究人员通过最近完成的UltraGRAIN项目，致力于在基于激光的定向能量沉积构建过程中定制晶粒结构，改变传统凝固过程自然产生的晶粒结构。此前，皇家墨尔本理工大学已证明，高强度超声波可以将柱状晶粒细化成细小的等轴晶粒。
另外，曼彻斯特大学于 2026 年 6月发表的一项研究发现，熔融金属沉积过程中喷嘴处温度仅几度的变化就能改变铝零件的内部微观结构和缺陷形成，这进一步证实了晶粒结果对大多数工艺图忽略的条件有多么敏感。这些努力共同指向了孙教授团队使用不同仪器得出的相同结论：金属增材制造中的外部框架已基本得到解决，但微观结构控制仍然取决于这一领域才刚刚开始直接测量的物理现象。
来源:南极熊
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