图 米级尺度、复杂构型、跨材料体系单晶增材制造

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52522506、12222205)等资助下，北京理工大学刘长猛教授团队、清华大学崔一南副教授团队与合作者率先实现了米级尺度、复杂构型、跨材料体系的工业级金属单晶增材制造。相关研究成果以“超长尺寸与复杂结构单晶增材制造（Additive manufacturing of ultralong and architected single crystals）”为题，于2026年10月21日在《自然》（Nature）上在线发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11185-0。《自然》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），评述链接：https://www.nature.com/articles/d41586-026-03257-y。

　　单晶材料凭借独特的物理与力学性能，在先进核能装备、航空发动机及半导体等领域具有重要战略价值，但传统制备方法受籽晶、模具和凝固条件约束，难以兼顾大尺寸、复杂构型与低成本制造。增材制造以微熔池为基本成形单元，为单晶自由构筑提供了新途径。然而，其快速变温、凝固与反复重熔特性使单晶生长远离经典理论所依赖的准稳态热场条件。如何在强非平衡热循环条件下，抑制杂晶、保持晶体取向连续，并实现复杂结构稳定成形，是单晶增材制造面临的关键科学与工程挑战。

　　研究团队经过十年攻关，建立了增材制造微熔池冶金模型与力学-凝固学耦合理论模型，提出增材制造微熔池非稳态脉动生长的单晶增材制造新方法，揭示了强瞬态热循环下间歇式单晶生长的动态稳定机制，突破了传统单晶生长对准稳态凝固条件的依赖，解决了微观晶体有序生长与宏观悬空结构稳定成形的协同控制难题。在无籽晶、无模具、无额外支撑的条件下，实现了米级单晶构件与复杂单晶结构的稳定成形，为强非平衡条件下的单晶增材制造提供了理论依据，也为其低成本、工程化应用奠定了基础。

　　该研究形成了我国原创的金属单晶增材制造方法，拓展了单晶制造的材料体系（钛、钨、钼、铌及钼铌合金等）、制造尺度与结构设计空间，为探索无晶界材料的本征性能及其在极端服役条件下的性能极限，以及设计制造轻质高性能结构提供了新的研究条件。相关成果有望推动材料、结构、功能与制造的协同设计，深化极端制造与极端力学领域的科学认识，并为相关领域的工程创新提供新的思路。