近日，香港城市大学吕坚院士与哈尔滨工业大学孟松鹤教授合作，创新性地提出了一种4D打印陶瓷的新策略。

相关研究成果《Additive manufacturing of fiber-reinforced electrically driven precursors and their derived ceramics》发表于Materials Science and Engineering: R: Reports。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mser.2026.101258

 研究背景

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀和高强度等优势，在航空航天、能源装备和极端环境结构件中具有重要应用价值。但传统陶瓷加工难、脆性大，复杂结构制备仍然受限。

4D打印为陶瓷结构制造提供了新的思路：打印后的结构可以在外界刺激下发生预设形变，从而实现可编程功能响应。

前驱体转化陶瓷（PDCs）因前驱体分子结构可调、可加工性好、裂解温度相对较低，成为4D打印陶瓷的重要材料体系。不过，现有技术仍面临两个问题：一是响应外界激励多依赖热驱动，在真空、外太空等对流换热受限环境中适应性不足；二是裂解过程中容易产生孔隙和缺陷，导致最终陶瓷的力学性能仍有提升空间。

 主要内容

针对上述问题，研究团队设计了纤维增强、导电的可打印陶瓷前驱体墨水。

在前驱体中引入纤维相，使材料同时具备可打印性、导电性和力学增强潜力。其中，短切碳纤维在挤出打印过程中沿打印方向取向，有助于提升结构强度；导电增强碳纳米纤维构建导电网络，使前驱体在响应热激励的基础上，能够响应电刺激产生焦耳热，触发形状记忆回复。

图1. 陶瓷前驱体的合成、打印、重构、热/电驱动形状回复及陶瓷化

 热/电多模驱动

前驱体体系在保持原有重赋形和形状记忆特征的基础上，实现在热激励或电激励完成形状回复。相比传统热驱动，电驱动依靠材料内部导电网络产生焦耳热，响应更直接，也更便于实现局域和远程控制。

图2. 兼具导电和纤维顺向排布的直写打印墨水合成与性能表征

图3. 电/热驱动集成与重复性/FEM验证

 力学性能提升

完成形状编程后，打印结构经高温裂解转化为陶瓷。

研究发现，纤维引入能够提高陶瓷产率并降低尺寸收缩，但过量引入会导致更多孔隙和缺陷削弱力学性能。团队进一步引入PIP工艺。通过将液态前驱体浸渍入陶瓷内部孔隙，并在后续裂解中转化为陶瓷，从而实现致密化和增强。

图4. 纤维增强与PIP协同后的打印陶瓷力学性能

 总结

该工作建立了一种从前驱体设计、直写4D打印、热/电双模式驱动到高温烧结陶瓷和PIP增强的一体化制造策略。多尺度导电纤维网络拓展了4D打印陶瓷的驱动方式，纤维取向增强与PIP致密化共同提升了打印陶瓷的力学可靠性。该策略有望用于航空航天、复杂轻质结构和极端环境服役等领域。

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当前的激光粉末床熔融过程监测方法大多旨在捕捉到一个或多个现场监测设备记录的一个或两个现象，并通过间接推理预测缺陷。

然而，飞溅、蒸汽羽流和熔池形态之间的内在关系主要是通过模拟或单独监测单个现象来研究的，没有分析它们的耦合效应。这种限制从根本上源于传统的监测技术，包括X射线成像、红外热成像和可见光成像，不适合同时观察多现象的视场，因为它们在放大了目标特征的同时损害了其他信号。例如，红外热成像技术优先增强熔池的热特征，但大大减弱了蒸汽羽流和飞溅动力学。

相比之下，纹影成像通过同时捕获不可见流体（气流、火焰等）克服了这些限制，从而可以观察到熔池形态、飞溅轨迹和蒸汽羽流演变等扩展现象。

为了重新调整打印计划，最大限度地减少各种类型的缺陷，必须全面记录粒子运动、气体流动和熔池振荡之间的相互作用，并了解这些多相相互作用之间的相互依存关系。武汉科技大学、中科院合肥物质科学研究院与中国科学技术大学联合研究团队提出了一种涉及熔池、飞溅和蒸汽的三向耦合方法，同时定义了五种类型的熔道表面缺陷。数据驱动方法用于分析使用原位纹影成像收集的大量实验数据，以了解与熔池形态相关的轨道缺陷模式。

相关研究论文以“Interplay mechanism between molten pool, spatter, vapor and melt defects in laser beam powder bed fusion via In-situ schlieren monitoring and deep learning methods”为题发表在《Additive Manufacturing》期刊。本期谷·专栏将对该研究进行简要分享。

论文链接：
10.1016/j.addma.2025.104997

 1. 实验设备

实验在搭建的平台上进行（见图1）。独立设计近轴高速纹影成像监控系统，包括高速摄像机、变焦镜头、滤光片、点光源、刀、凹面镜、滤光片等。

图1. 纹影成像高速监测系统。

 2. 熔道分类模型

提出了一个基于CBAM和Resnet18的熔道缺陷分类模型，如图2所示。该模型使用包括跳跃连接和残差学习的Resnet18网络作为骨干特征提取网络，旨在缓解梯度消失的问题。通过ConV1计算图像，每个ConV1包含一个带有CBAM模块的7×7卷积运算，以捕获图像中的低级特征和一些主要结构。然后，在批归一化（BN）层中计算批归一化。在Softmax层之前，输出被转换为类概率，以实现不同表面形态的分类任务。熔融痕迹缺陷分类网络的总体准确率为97.33%，F1得分为97.32%，证明了所提出的分类网络的可靠性。

图2. 熔道缺陷分类网络。

 3. 熔池与熔道缺陷重新关联

为了验证五个手动标记的缺陷与实际熔池状态之间的一致性，利用经典的t-SNE算法和高斯混合模型（GMM）来可视化训练样本的分布。交叉验证确保了手动缺陷注释的可靠性，以及它们与实际熔化过程的一致性。使用阈值分割和轮廓提取对收集到的熔池图像进行分割，以获得熔池轮廓，得到与熔池运动相关的32维特征集，如图3（a）所示。此外，提取了熔池的六个附加特征，即周长、面积、倾斜角度、面积周长比和两个多边形面积比，形成了熔池总共38维的特征向量。

提出了一种改进的t-SNE方法，以降维的方式对熔池特征进行聚类和可视化。高斯混合模型（GMM）用于计算熔池38维特征的高维相似性。如图3（d）所示，熔池图像可以很好地分为五种类型。与手动标记的熔池分类标签相比，其平均准确率可达90.37%，召回率为90.37%，准确率为91.04%，F1得分为90.5%。

图3. 熔池形态聚类及其与熔道缺陷关联性分析。

（a）根据所示方法提取熔池轮廓特征（包括面积、周长、比率、线条和倾斜角度）。（b）使用高斯混合模型（GMM）计算高维相似性；（c）提出了一种t-SNE方法；（d）熔池聚类结果及其对应的熔道缺陷类别标记：0-边缘凸起，1-顶部凸起，2-缩颈，3-凹陷，4-不连续。

 4. 飞溅、羽流与熔池的耦合关系

使用高速纹影成像系统捕捉整个PBF-LB过程中的蒸汽喷射动力学。为了增强特征识别，获得了图4（A）所示的时间分辨快照序列。时间t明显观察到，在激光启动时（t=0μs），金属蒸汽垂直于基材喷射。根据气液界面理论，蒸汽在熔池上方形成分子级厚度的克努森层，其快速膨胀会产生与喷射方向相反的动态反冲压力。为了阐明蒸汽-熔池相互作用，进行了介观尺度熔池模拟（图4（b））。该模型表明，垂直取向的反冲压力矢量在熔池中心诱导了一个特征性的U形凹陷。同时，在激光能量传递引起的热流耦合效应下，熔池表现出沿扫描方向扩展的迁移特征。出现了两种不同的状态，即当速度<100 mm/s时，MP超前模式下的熔池偏转幅度与扫描速度呈负相关，而当速度超过500 mm/s时转变为MP滞后模式，呈正相关。随着扫描速度的增加，蒸汽偏转随时间呈下降趋势，呈现出明显的非线性下降关系。当扫描速度从50 mm/s增加到100 mm/s时，蒸汽的偏转时间减少了440μs。然而，随着速度从500 mm/s上升到1000 mm/s，这种减少显著衰减到仅56μs。这些结果表明扫描速度对蒸汽偏转时间有阈值效应，此时时间参数对100 mm/s以下的速度变化表现出更高的敏感性。

图4. 蒸汽羽流动力学和熔池行为的多尺度分析。

（a）P=400 W，V=1000 mm/s时蒸汽羽流演变的时间序列；（b）羽流产生时的熔池形态的中尺度模拟；（c1）熔池滞后现象示意图；（c2）熔池超前现象示意图；（d）在固定的400 W激光功率下，蒸汽角度随扫描速度（50-1000 mm/s）的变化；（e）在固定的100 mm/s扫描速度下，蒸汽角度随激光功率（100-500 W）的变化。

在纹影成像实验中，除了捕获由气体密度梯度引起的交替明暗蒸汽图案外，还清楚地观察到PBF-LB过程中喷射的飞溅颗粒。由于这些飞溅物由不透明的熔融/固体金属颗粒组成，它们在图像中表现为离散的黑点。图5（a）显示了熔池上方蒸汽羽流周围的许多飞溅引起的黑点，这些黑点来自熔池喷射和粉末飞溅。值得注意的是，穿过蒸汽环境的高速飞溅颗粒表现出明显的拖尾效应。对飞溅轨迹的统计分析表明，在固定的工艺参数下，飞溅颗粒主要在图5（a）中淡蓝色扇区所描绘的特定角度范围内喷射，中心角定义为飞溅分散角。相比之下，淡红色区域表示稳定的蒸汽覆盖区。考虑到蒸汽喷射的持续稳定性，其覆盖区域主要由气体膨胀动力学决定。由于蒸汽喷射是飞溅形成的关键驱动因素，本研究重点关注它们的动态行为。图5（b）描绘了不同激光功率下蒸汽喷射角度随扫描速度的演变，实验数据是在距离扫描原点1mm处获得的（0°表示扫描方向，180°表示相反方向）。结果表明，当激光功率超过100 W时，蒸汽喷射角在所有功率水平上单调增加。具体来说，在100-500mm/s的范围内，蒸汽喷射角度急剧上升，而在50-100mm/s和500-1000mm/s的范围，生长速率显著降低。这表明存在一个临界扫描速度阈值（约100-500mm/s），其中蒸汽喷射角度对扫描速度表现出更高的敏感性。

图5. 通过纹影成像分析飞溅和蒸汽羽流之间的相互作用。

（a）纹影图像中的蒸汽羽流区域分割和特征提取；（b）蒸汽羽流喷射角度的统计分析；（c）不同工艺条件下飞溅分布与蒸汽覆盖面积（激光功率：100-500W，扫描速度：50-1000mm/s）、飞溅计数和飞溅尺寸之间的相关性。

在PBF-LB过程中，熔池动力学表现出三种特征状态，即传导模式、过渡模式和钥匙孔模式。虽然在传导模式下汽化可以忽略不计，但在过渡和锁孔模式下会出现大量的蒸汽效应。如P=190 W，V=1060 mm/s实验组中的纹影成像所捕捉到的（图6a），时间分辨序列（28-168μs）揭示了明显的蒸汽-熔池相互作用。在初始激光定位过程中（t=28μs，56μs），垂直上升的蒸汽射流建立了双向力平衡，即向上的蒸汽反冲压力平衡了向下的熔体压力，从而形成了接近90°接触角的对称熔池形态。在激光位移（t=84μs）时，蒸汽射流向后偏转33°，产生切向推力，导致明显的尾部抬升。

为了量化熔池变形，开发了一种多阶段图像处理协议（图6b）：首先，对双三次插值算法中使用的原始图像进行未采样，将分辨率提高到原始图像的5倍，然后进行自适应阈值处理和形态学开口以消除散粒噪声。通过连通分量分析提取熔池轮廓，用最小封闭矩形确定倾斜角度。在50个点火后帧中，蒸汽和水池角度的时间演变显示出很强的相关性，特别是在112μs时表现出同步的58°±3°偏转（图6c）。这证实了蒸汽动力学是熔池形态的可靠指标。考虑到熔池的纹影成像受到杂散光干扰，而蒸汽运动提供了更高的对比度。因此，蒸汽角度监测可作为PBF-LB过程中实时评估的稳健分析工具。

图6. PBF-LB中蒸汽羽流与熔池的动态相互作用。

使用图2中概述的机器学习方法，熔体轨迹的形态特征分为五种不同的类型：顶部凸起、凹陷、颈缩、边缘凸起和不连续性（图7）。进一步分析了与这些缺陷相关的熔池和蒸汽特性，这些特性用于为神经网络提供物理解释，以实现熔池特性到熔道缺陷的映射。顶部突出特征表现为熔体轨迹的突然高度变化，形成一个突出的岛状区域。这一特性主要影响制造零件的表面质量。颈缩特征的特征是熔体轨迹边缘突然向内收缩，收缩区域的高度没有降低，主要影响相邻熔体轨迹之间的重叠率。凹陷特征类似于颈缩，但其高度低于基材或前一层表面，主要影响层间粘合和零件表面质量。边缘突出特征涉及熔体轨迹宽度的突然变化，同样会影响轨迹间的重叠。不连续特征是指沿印刷方向完全没有熔融轨迹。

图7. PBF-LB熔道中的缺陷形成机制及其与熔池动力学和蒸汽羽流相互作用的相关性。

（a）顶部突出物；（b）颈缩；（c）凹陷；（d）边缘突出；（e）不连续。

 5. 结论

本研究提出一种FP-CBAM网络，通过熔池时间戳对齐的熔道数据学习熔融缺陷，这些数据隐式关联熔池动态变化。采用t-SNE方法对时间序列熔池特征进行聚类分析，实现缺陷标注的交叉验证。进一步通过纹影成像观测与统计分析，揭示了熔融缺陷形成的三重耦合机制——熔池、飞溅与蒸汽的交互作用，为机器学习方法可靠性提供了物理解释与交叉验证依据。该方法通过纹影监测信号实现熔融缺陷的实时预测，有望动态调整LPBF工艺参数以提升成型质量。

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近年来，噪声污染已成为一个严重且日益严峻的环境问题。在航空航天、交通运输和建筑等极端应用场景中，噪声抑制面临着关键挑战。这些挑战的原因在于，降噪结构必须同时具备优异的承载强度与高效的声学调控能力，而传统的声学材料与承重结构之间往往难以实现这种性能平衡，存在显著的设计矛盾。

声学超材料和超表面的兴起为降噪开辟了新途径，然而，现有的大多数研究主要聚焦于优化声学性能，缺乏能够同时考虑结构设计、材料属性和制造工艺的全局性策略，难以实现真正意义上的结构-功能一体化。

值得注意的是，增材制造技术的快速发展为实现创新设计理念提供了有力工具。其中，连续纤维增强复合材料因其卓越的机械性能和多功能潜力而备受关注。这类材料的增材制造不仅大幅提升了结构设计的自由度，更展示出设计和制造高强度、多功能集成结构的独特优势。

针对复合材料增材制造技术的工艺特点，结构设计需满足少支撑和具备可连续纤维增强的垂直壁面等要求。而法布里-珀罗（Fabry-Pérot, FP）声学通道设计恰好契合这些需求，是实现高效降噪的理想几何构型。

近期，来自复旦大学、同济大学、新加坡国立大学和汉诺威大学的研究团队在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上发表论文，介绍了一种新型多功能复合超结构。该结构将法布里-珀罗声学通道设计与定制化开发的连续纤维增强增材制造工艺相融合，并通过双喷嘴机器人与路径优化打印技术成功制备。这一紧凑型超结构不仅实现了宽带高效吸声，还展现出卓越的机械鲁棒性。

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论文链接：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae35ea

作者
杨怡龙、刘亚沣、苗双双、潘永东、翟玮、庄晓莹*、金亚斌*

机构
复旦大学、同济大学、新加坡国立大学、汉诺威大学

Citation

Yang Y L, Liu Y F, Miao S S, Pan Y D, Zhai W, Zhuang X Y, Jin Y B. 2026.Sound-absorbing continuous fiber-reinforced composite metastructure. Int. J. Extrem. Manuf. 8 035501.

 文章导读

在航空航天、交通与建筑等极端服役环境中，降噪结构常面临“高吸声”与“高强度”难以兼得的矛盾。近期，复旦大学计算力学与人工智能交叉研究院的金亚斌和庄晓莹课题组，提出一种连续纤维增强复合材料吸声超结构：以法布里－珀罗声学通道为核心，同时结合连续纤维复合材料增材制造，实现结构承载与宽带吸声一体化，并在《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“Sound-absorbing continuous fiber-reinforced composite metastructure”的文章。

 图文解析

本研究的创新之处在于结构采用多共振通道设计，通过不同通道高度产生多阶共振耦合，实现宽带吸声，同时利用连续碳纤维复合材料的各向异性增强承载性能，实现“吸声—承载”统一。

图1 声学超结构的理论框架与设计方法。（a）结构的横截面视图。（b）结构的内部空气区域。（c）声阻抗理论示意图。（d）耦合模式理论示意图。（e）结构优化算法的程序流程图。

研究建立了阻抗模型用于低频预测，并引入耦合模态理论考虑高阶衍射效应，使高频段预测更贴近实验现象。

图2 结构路径规划设计。

在制造过程中，通过路径规划实现关键受力壁的连续纤维铺放与其余区域填充成形。

图3 复合材料超结构的吸声性能。（a）复合材料超结构试样及显微图。（b）树脂超结构试样及显微图。（c）驻波管系统的照片及示意图。（d）耦合模式理论结果、声阻抗理论结果及实验结果的吸声谱对比图。（e）复合材料试样与树脂试样实验结果吸声谱对比图。

实验验证在 1500–5500 Hz 区间平均吸声系数超过 0.9。同时，连续纤维增强显著提升结构在弯曲、压缩与剪切等工况下的承载能力与抗损伤表现。

 总结与展望

本文提供了一条面向极端环境的“材料—制造—超结构”一体化路线：在有限厚度内同时获得高吸声与高承载，为航空整流罩/舱段降噪、先进交通装备与轻量化建筑构件提供可制造的多功能方案。未来可进一步面向大尺寸与复杂曲面构件，发展更自动化的纤维连续性保持与缺陷控制策略，并针对特定噪声谱实现快速定制化设计。

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在2025-2026年度ASME K-16电子设备传热委员会/IEEE ITherm学生冷板设计竞赛中，宁波诺丁汉大学MicroAero团队凭借一份兼具理论深度与制造可行性的3D打印冷板设计，从全球多所高校中脱颖而出。

竞赛要求参赛团队在给定的功率分布和流量条件下，设计一款液体冷板，在满足增材制造约束的前提下，最小化热阻与压降。MicroAero团队提交的设计方案，呈现了一套完整的分层多尺度热工-水力学设计方法论。最终设计，与基线值相比压降降低54.8%，品质因数（FoM）达到0.038。

本期星空娱乐棋牌城官网将分享竞赛主办方披露的技术文件，供专业读者快速了解其设计脉络。

 1. 设计描述

为解决高热通量耗散与水力学压降之间的严峻权衡问题，本冷板架构采用了一种结合宏观热引导与微观水力学重构的系统性衍生策略。该设计融合了流体动力学边界层控制的理论原理与电化学增材制造（ECAM）的精度。利用纯铜卓越的导热系数（k ≈ 380 W/(m·K)），构建了复杂的三维流体网络，体现了“材料服从功能”的设计理念。

图1：冷板概览：(a) 俯视图，展示整体分支通道布局；(b) 侧视图，突出分层结构与流动路径。

1.1. 宏观架构：物理驱动的拓扑优化

其主要形态源于结合了热-流体物理的数学优化。在 36×29×2 mm 的设计域内，采用固体各向同性材料惩罚（SIMP）方法实施了基于密度的拓扑优化。目标函数在给定功率分布下最小化体积平均温度，从而生成物理驱动的分支式热输运路径。

目标热分布映射。 如图1(a)所示，该算法优先最小化整体热柔度，以生成类似生物脉络的分支式热输运路径，并根据竞赛特定的功率分布进行了精细化调整。

骨架结构。 这些分支骨架结构作为热输运主干，将热量从高热通量中心区域（H区）快速传导至外围，同时界定主要的流体通道，如图1(b)所示。然而，仿真结果表明，原始拓扑中连续的固体壁面导致热边界层增厚，并在收缩区域附近形成流动停滞区，这需要在微观细化阶段加以解决。

1.2. 微观细化：边界层重启与混合化

为克服原始拓扑的性能限制，在骨架结构中融入了微观特征增强措施，实现了传热与压降的平衡优化，如图2所示。这些措施包括流线型通道、集成式域切片、变密度针肋阵列以及倒三角形开孔。

图2：微观细化特征：(a) 针肋设计；(b) 三角形性能设计；(c) 集成式切片设计。

用于降低流动阻力的流线型通道。 所有内部通道均采用流线型设计，以消除尖锐拐角和滞流空腔，减少流动分离并确保稳定的速度场。

用于边界层重启和降低压降的集成式域切片。 如图2(c)所示，连续的拓扑壁（销钉3）被周期性地分割成不连续的导流叶片，以触发边界层重启机制。这迫使热边界层在每个前缘重新发展，维持较高的局部对流传热系数，同时通过受集成切片架构启发的缩短流动路径来降低压降。

用于均匀热流和促进湍流的变密度针肋阵列。 利用ECAM的高分辨率，在低速通道内布置了非均匀的微型针肋（销钉1），如图2(a)所示。这些针肋作为湍流促进器，通过尾流涡流增强流体混合，并增加固-流界面面积，实现均匀的热流分布。

用于改善流动分布和形成三维旁路网络的倒三角形开孔。 沿主要热脊在销钉2处引入了倒三角形开孔，以平衡整体压力场，如图2(b)所示。这种几何构型自然地将流线引导至相邻通道，最小化收缩和扩张损失，并形成一个三维旁路网络，缓解压力积聚。

 2. 设计分析

本冷板架构的设计目标包括两个方面：增强传热性能和降低压降。如图3所示，冷板设计侧重于拓扑优化，以探索最佳的材料和通道配置。同时，采用针肋来增强传热性能，并采用流线型通道、集成式切片和三角形开孔来降低压降，从而提升冷板的整体性能。

图3：冷板设计优化框架

2.1. 传热性能优化

2.1.1. 用于改善传热的拓扑优化

拓扑优化是一种通过数学算法自动确定最佳材料分布的设计方法。为了获得最佳的流道配置，在冷板的二维可设计区域内实施了基于密度的拓扑优化。与流体接触的微通道层被定义为设计域。为了最小化设计域内固体结构的体积平均温度，其数学表达式为：

其中T是温度，Ω表示设计域。主要约束是将固体材料体积分数维持在 ≤ 0.6。伪密度 γ（范围从0（固体）到1（流体））被用作设计变量。使用固体各向同性材料惩罚（SIMP）方法对材料属性进行插值，达西惩罚因子为0.05。采用移动渐近线法（MMA）进行迭代求解，并辅以亥姆霍兹滤波器以消除棋盘格图案并确保清晰的通道边界。拓扑优化的结果如图4所示。

图4：拓扑优化结果：(a) 根据热分布生成的通道配置，蓝色区域代表流体域，其他区域表示固体壁面；(b) 由优化几何形状导出的相应流线路径；(c) 受这两项观察启发，展示了集成式设计理念，其中初始通道被选择性切片和重构。

2.1.2. 用于均匀热流的针肋设计

对冷板的研究表明，添加针状结构增加了传热面积，增强了流体的湍流程度，从而提高了传热的均匀性，但也增加了流动阻力。对各种针肋几何形状和尺寸进行了比较研究，以评估其热工-水力学性能。相应的结果总结于附录B中的表B1和图B1，结果表明选择针(f)用于最终设计，如图2(a)所示，因为其几何形状和空间布置在增强传热与水力学损失之间提供了最有利的平衡。同时，为了获得均匀的热流，采用了变密度的针肋布置，在热关键区域集中更高的针密度，同时在压力敏感流动路径中保持水力学透明性。

在最终设计中，MicroAero团队使用了两个形状完全相同但其中一个带有三角形孔的针。这些针放置在拓扑模型的间隙和较宽的通道中。三个具有变密度布置的区域：低热和无热源区域、高热区域以及高热区域的入口侧。它们依次采用中密度、高密度和低密度布置。关于针间距的具体数据，请参阅附录B。

2.2. 压降优化

当传热效率提高时，压降通常会增大，而更大的压降会导致更高的系统能耗，最终恶化整体传热性能。压降是指流体流经通道时所经历的压力降低，由摩擦、加速和局部损失等因素引起。通道尺寸、流动平滑度和流体流速都会导致压力损失的增加。

2.2.1. 用于降低流动阻力的拓扑引导流线型通道设计

基于原始的拓扑优化结果，参考二维速度场对最终流道进行了流线型优化。先前的研究报道，适当的流线型通道可以在保持均匀流动分布的同时，将压降低15.9%–25.1%，因为去除尖锐拐角和死区有效地抑制了流动分离和回流。如图4(c)所示，拓扑衍生的通道结构为流线型重新设计奠定了基础，所有内部通道都进行了流线型处理，以消除尖锐拐角和滞流空腔。

2.2.2. 用于降低压降的针肋-拓扑集成式切片

受微通道冷板的启发，我们的设计采用了并联单元架构。微通道冷板近来成为热门话题，因为它们有助于改善沿流动路径的流体分布并降低局部压降。在主通道中，沿流动方向采用了平行切片设计，以进一步增加传热表面，如图2(c)所示。在保留优化拓扑结构主通道的同时，切片结构将液体分配到多个平行的微通道单元中，有效缩短了流动路径，从而降低了压降。

2.2.3. 用于改善流动分布的三角形开孔

已有研究表明，开孔能有效降低压降，因为它们为流动提供了额外的旁路路径并减轻了压降。为了进一步平衡全局压力场，在主脊的侧壁引入了倒三角形开孔，如图2(b)所示，并给出了详细的尺寸和配置。三角形形状自然地引导流体从高功率区域自由流向低功率区域，使得该设计不仅有效，而且适合制造。

 3. 预测品质因数

基于指定流量（1.2 lpm）下的有效热阻和压降，使用品质因数（FoM）量化冷板的性能，计算公式如下：

其中最大热阻和压降定义为：

FoM的最终值和模型数据如表1所示。

表1

通过拓扑优化，该设计建立了高导热的热路径，从而最小化了全局热阻，而针肋的集成则通过增加界面面积和诱导湍流，有效强化了对流传热。同时，流线型通道和三维三角形开孔的实施确保了这些热性能的提升是以最小的水力学代价实现的，保持了平衡的热工-水力学特性，并在芯片表面实现了均匀的流动分布。冷板结构随品质因数（FoM）的演化过程如图5所示。随着FoM从-0.8342增加到最优值0.0375，流道变得更加精细化，以平衡热阻和压降。

图5：迭代设计过程与FoM的提升

图6进一步展示了这一最优设计的详细热工和水力学性能，从中可以观察到，在高功率和低功率加热区域，固体域和流体域之间的温差极小，表明散热均匀性良好。此外，压力分布显示最大压力出现在入口附近，同时整体压降较低，证明了降低流动阻力的优化是有效的。

图6：最优冷板设计的详细热工与水力学性能：(a) 固体基板中的温度分布（梯度）；(b) 冷却液中的温度分布（梯度）；(c) 内部压力分布。

 4. 增材制造

与传统的金属增材制造（如粉末床熔融）不同，ECAM能够实现33.33 μm的最小特征尺寸。这一高分辨率最大化了冷却液与板的接触面积，并增强了三维设计自由度，从而能够在牺牲热通量的情况下最小化压降。ECAM实现的关键创新总结如下。

特征尺寸： 组委会规定了x-y平面内的最小特征尺寸为33.33 μm。然而，为了适应几何建模软件的限制并提供更稳健的设计余量，本研究采用了保守的100 μm最小特征尺寸，并且该设计也符合沿z轴0.03 mm 的最小限值。此外，为了提高制造可靠性并确保与增材制造约束的兼容性，系统地移除了低于既定100 μm 的销钉等x-y尺寸特征。

悬垂特征： 从增材制造的学术角度来看，三角形通道的设计代表了制造可行性的成功协同优化。在几何约束方面，该设计的侧壁与底面夹角为 75°，显著超过了20°的最小悬垂角限值，确保了在化学气相沉积过程中的自支撑特性，并有效避免了因缺乏辅助支撑而导致的结构倒塌或基底轮廓变形。

选择性分布的针和翅片： ECAM 工艺的使用使得能够根据局部冷却液流动需求，选择性地布置三维针状和翅片结构。这种结合了 2.5D 和 3D 几何形状的非均匀特征分布，代表了增材制造所独特实现的设计自由度。这种灵活性使得压降与换热表面积之间的权衡得以有效平衡。

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钛合金是骨科植入物中使用最广泛的金属材料之一。人工关节、颅骨修复片、脊柱融合器等植入物都离不开它。原因并不难理解：钛合金强度高、耐腐蚀，进入体内后也相对稳定。

但稳定有时也是钛合金的短板。传统钛合金虽然生物相容性好，却很难主动诱导骨组织生长。它更像一个合格的支撑框架，能够提供力学支持，却不会主动向周围细胞发出“来这里长骨”的信号。因此，为了让骨组织更好地长到植入物表面，研究人员通常需要再做表面改性，比如涂层、刻蚀、药物负载或生物活性分子修饰。这些方法有效，但也带来额外问题：工艺更复杂，成本更高，涂层长期稳定性也需要反复验证。尤其是面对个性化、多孔、复杂结构的植入物时，如何让功能层均匀、稳定地覆盖在每一个细节表面，并不是一件容易的事。

那么，有没有可能让钛合金本身就具备生物活性？不是给钛合金植入物“穿一件功能外套”，而是让材料在制造过程中就自带功能。

来自香港城市大学吕坚院士团队的研究人员提出了一种新的思路：利用激光粉末床熔融增材制造技术，在钛钽合金内部原位构建类似“大马士革钢”的周期性成分图案。

通过简单氧化，即可在材料表面形成稳定、可调的周期性表面电位差，从而让植入物表面产生类似天然组织中的微弱电信号，进一步促进骨再生。

图1：L-PBF 3D打印的原位大马士革图案，在经过酸洗后即可看到经过定制的花纹。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2026.05.023

 从大马士革钢到3D打印钛合金

大马士革钢因表面独特的花纹而闻名。传统大马士革花纹通常来自不同成分钢材的叠层、锻打和腐蚀显影，这种花纹背后其实是材料内部成分和组织的差异。本研究借用了这个思路，但没有采用传统锻造，而是使用激光粉末床熔融3D打印进行制造。

本研究使用医用Ti-6Al-4V ELI钛合金粉末与25%质量分数的钽粉混合打印。

钛和钽有一个很关键的差别：钛的熔点约为1725 ℃，钽的熔点则高达约3020 ℃。在激光快速熔化和凝固的过程中，钽并不会总是完全、均匀地进入钛基体。在很多制造场景中，这种不完全混合可能会被视为问题。但这里，研究人员没有急着消除它，而是选择利用它。通过调节激光打印参数，钽熔入钛基体的程度可以被控制。研究人员选取两组不同参数，再在同一个样品中交替打印这些区域。这样，材料内部就出现了周期性的成分差异的条带结构，经过腐蚀显影后，可以看到类似大马士革钢的条带图案。

在美观之上，这些条带真正的价值在于它们可以进一步转化为表面的电学功能。

 钛钽合金表面周期电势差的构建

骨修复过程中，电信号也参与其中。天然骨组织在损伤和修复过程中会出现局部电学信号，这些信号能够影响细胞迁移、黏附和分化。

受这一点启发，研究人员希望在金属植入物表面构建一种稳定的、无需外接电源的微弱电信号。而大马士革图案提供了这个机会。

当不同钛/钽组成的条带经过简单氧化后，表面会形成含钛钽含量也不相同的氧化层。由于相邻区域的氧化物成份不同，表面电位也会出现差异。研究人员将这种周期性表面电位差称为P-SPD。

图2：具有P-SPD样品的构建。形状规则、表面平整的样品用于测定P-SPD、评价成骨机制。

通过KPFM测试可以看到，相邻条带之间形成了约48 mV的表面电位差。通过改变打印参数，这一数值还可以在约5.59–48.01 mV范围内调节。这个量级并不大，却恰恰接近许多天然组织和外源电刺激研究中涉及的生物电信号范围。依靠材料本身的成分设计和表面氧化层，植入体表面形成了一个微弱、周期性的电学微环境。细胞接触到这样的表面后，可能会感受到不同区域之间的电位差，并据此改变自己的铺展、迁移和分化行为。

图3：使用KPFM对氧化后的条带间电势差进行了测量。在氧化后不同成份条带表面的氧化膜颜色略有区别。

 细胞实验：条带表面让细胞更活跃

为了观察这种P-SPD表面对细胞的影响，研究人员将骨髓间充质干细胞接种到不同样品表面，包括传统Ti64ELI、非条带钛钽合金样品，以及宽度为200 μm和400 μm的条带样品。结果显示，带有周期性条带的样品表现出更好的细胞响应。尤其是200 μm条带样品，细胞增殖更明显，细胞在表面的铺展状态也更积极。

图4：（A）体外研究的样本形式示意图。（B）将BMSCs接种于Ti64、Ti64Ta-L、Ti64Ta-H、400 μm条带和200 μm条带金属板表面24小时后的黏附和变形情况。（C）扫描电镜观察有/无周期性条带的金属板上细胞的变形形态。（D）BMSCs的增殖情况。（E）成骨诱导7天后，BMSCs在金属板上培养的ALP染色（上排）和ARS染色（下排）。（F）成骨诱导7天后，BMSCs（ALP、RUNX-2、COL-I和OPN）的相对mRNA表达水平。（G）成骨诱导14天后，不同组别接种BMSCs的细胞表面蛋白表达的Western blot分析。

成骨诱导实验进一步证明了这一点。ALP染色和茜素红染色结果显示，200 μm和400 μm条带样品均促进了早期成骨分化和矿化沉积。成骨相关基因，如ALP、RUNX-2、COL-I和OPN，也在条带样品上表现出更高表达。

结果说明，表面的周期性电位差影响了细胞行为。P-SPD可能为细胞提供了一种微弱但持续的界面信号。细胞贴附在材料表面后，不仅感受到粗糙度、亲水性和化学组成，也会受到局部电学环境的影响。对于骨髓间充质干细胞而言，这种环境有助于它们向成骨方向发展。

 动物体内实验：促进颅骨缺损修复

研究人员进一步构建了大鼠颅骨缺损模型，将不同样品植入骨缺损区域，并在12周后通过Micro-CT和组织学染色评价新骨形成情况。结果显示，具有周期性大马士革图案的植入物周围形成了更多新生骨组织，骨修复效果显著优于传统Ti64ELI对照组。实验表明这种材料表面的微弱电学信号不仅能影响培养皿中的细胞，也能在更复杂的体内环境中发挥作用。

图5：大鼠颅骨缺损修复模型。(A) 打印植入物的加工流程及植入位置指示。(B) 植入组和阴性对照组12周后大鼠颅骨的微型CT重建图像。重建图像显示了植入物及其内部新形成的骨组织。(C) 骨体积/组织体积比(BV/TV)、骨小梁数量(Tb.N)和骨小梁间距(Tb.Sp)的定量分析。(D) 颅骨缺损植入物的硬组织切片及Van Gieson染色。中间一列中，矿化的新生骨组织以红色突出显示，而未矿化的组织以蓝色突出显示。

体内环境中存在蛋白吸附、体液离子、免疫反应和组织重塑等多重因素，单一表面信号很容易被削弱。如果P-SPD仍能在体内表现出促进骨修复的效果，说明这种“材料自带电学微环境”的设计有进一步研究和转化的价值。

 机制探究：从膜电位到钙离子信号

研究进一步探讨了P-SPD影响细胞的可能机制。细胞膜本身存在电位差，钙离子、钠离子、钾离子等跨膜流动会影响细胞状态。对于骨相关细胞来说，钙离子信号尤其重要，它与细胞迁移、能量代谢、成骨分化和矿化过程密切相关。

通过全细胞膜片钳实验，研究人员发现，P-SPD表面可以调节骨髓间充质干细胞的静息膜电位，并增强钙离子通道相关活动。结合线粒体形态、细胞迁移实验和成骨相关蛋白表达结果，可以推测，P-SPD可能通过影响细胞膜电位和钙离子内流，进一步激活成骨分化与迁移相关通路。P-SPD为细胞提供了一个更接近骨修复环境的界面信号，让细胞更容易进入修复和分化状态。

图6：P-SPD诱导成骨作用的机制研究。(A) 全细胞膜片钳记录示意图，以及显示电极尖端在全细胞膜片钳测试过程中插入细胞膜的图像。(B) 静息膜电位(RMP)示意图和(C)统计图。(D) 输入电阻统计图，范围约为1 GΩ。(E) 阻断Na+和K+电流后Ca2+电流的激活曲线和统计图。(F) 通过STED观察阴性对照组和200 μm条纹组的细胞线粒体活性。(G) 通过细胞划痕愈合实验分别评估Ti64ELI、Ti64Ta、400 μm和200 μm条纹样品的细胞迁移能力。 （H）采用WB法检测接种对样品表面BMSCs蛋白表达（Wnt3a、p-GSK3β、GSK3β/总GSK3β）的影响。（I）机制图展示了植入物表面P-SPD通过促进细胞迁移和分化来调节细胞行为。

 研究工作的创新性

这项研究的特别之处，在于它没有把表面功能完全交给后处理涂层，而是把功能设计提前到了材料制造阶段。已有的金属植入物常常是先把结构做出来，再想办法改表面。而这里，研究人员通过L-PBF 3D打印过程中的原位成分调控，让材料内部形成可设计的钛合金大马士革图案，再通过简单氧化把这种成分差异转化为表面电位差。

这个设计的创新性在于:

• 把“不完全混合”从制造缺陷变成了功能来源。
• 让材料在保持低模量和高强度的同时，获得了内禀生物活性。
• 不依赖外接电源，也不需要复杂涂层。
• 与金属3D打印天然兼容，适合进一步用于个性化复杂植入物设计。

从材料科学角度看，这是结构、成分、电学和生物功能之间的一次整合。从骨科植入物角度看，它提供了一种让金属材料从被动支撑走向主动参与修复的可能路径。

未来，理想的骨植入物也许不只是填补缺损、承担载荷。该研究的材料设计并不局限于钛合金材料，可以通过采用其他金属的成份设计获得全新的功能，例如在修复的过程中同步降解，按计划分步降解等等。

论文引用

Hanyang Yu, Nan Hou, Subrahmanyam Pattamatta, Sien Lin, Shi-ting Chen, Weixi Wu, Fenghui Duan, Youneng Xie, Xuliang Chen, Yunchen Long, Gan Li, Yuhan Chen, Siyao Chen, Yicheng Han, Xiaojiao You, Zhuoyuan Li, Yu Chai, Gang Li, Jian Lu,

In-situ Damascus-patterning enables tunable surface electric fields for bioactive titanium implants,

Bioactive Materials,Volume 64,2026,Pages 900-914,ISSN 2452-199X,

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2026.05.023.

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随着传感器技术的进步，激光粉末床熔融的原位监测已成为研究热点，为缺陷检测、反馈控制和熔池动态行为研究奠定了基础。然而当前相关研究仍存在以下空白：

尚缺乏针对激光粉末床熔融过程监测的低成本智能监测方案。数据生成技术在该领域的应用仍处于早期阶段，特别是在物理引导的深度学习研究方面存在显著差距。

此外，现有研究在将多传感器融合与物理信息机器学习方法集成用于激光粉末床熔融方面仍存在相当大的差距。一方面，当前的多传感器融合方法缺乏对成对信号交互和全局特征的高效建模。另一方面，物理知识与多源数据之间的异质特征融合尚未得到有效探索。

来自中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学技术大学、中航西安飞机工业集团股份有限公司、武汉科技大学的研究团队，提出了一种用于低成本激光粉末床熔融监测的物理引导多源数据融合方法，涵盖从数据生成到熔化状态识别的完整工作流程。相关研究论文发表于Additive Manufacturing 期刊。本期谷·专栏文章揭示了该成果的主要创新点。

A physics-guided multi-source data fusion model for LPBF process monitoring: From data generation to melting state recognition

面向LPBF过程监测的物理引导多源数据融合模型：从数据生成到熔化状态识别

作者：毛杨坤，颜家维，林昕，蔡志凯，朱锟鹏
通讯作者：朱锟鹏 (zhukp@iamt.ac.cn)

 摘要

熔池状态监测是解析激光粉末床熔融（LPBF）动态演化规律、识别熔化行为及预测成形缺陷的核心技术途径。现有研究多依托熔池图像与深度学习算法开展智能监测，鲜有工作通过多源数据融合实现熔池信号的低成本数据生成，尤其缺乏物理先验与数据驱动相结合的系统性探索。

本文构建了一种物理引导的多源数据融合模型，用于熔池图像序列的高精度生成。测试结果显示，生成熔池图像的结构相似性指数（SSIM）为0.839，峰值信噪比（PSNR）为27.61，重构形态偏差低至9.13%。将该模型迁移至多源信号融合监测任务，以生成熔池数据与原位多源信号为输入，孔隙度等级分类精度可达90.36%。

结果表明，该模型可实现近红外（NIR）、光电二极管与可见光（VL）信号的浅层成对信息交互及深层全局特征聚合；通过引入物理引导多模态融合分支，以数值模拟熔池序列为约束，在深层网络中实现多源特征的动态融合与物理先验显式嵌入，完成高保真熔池图像重构。此外，将生成熔池数据作为先验信息实现任务迁移，可提升孔隙度识别性能，为LPBF过程监测的数据生成应用与多源信号表征增强提供新路径。

未来将拓展该模型在不同构件几何与材料体系下的适用性。

 主要内容

1.方法框架

图1为本研究的总体框架。本文首先搭建集成近红外传感器、光电二极管、可见光相机与高速相机的多传感器监测平台。随后，将原始熔池图像重构为熔池特征序列；基于三维卷积变分自编码器（3D-CVAE）对熔池特征序列进行降维，获取低维隐向量表征。

在此基础上，提出物理引导多源数据融合模型（PG-MSDF），实现熔池隐向量的精准预测。

该模型集成了改进型跨分支注意力模块（CB-ATTM）与物理引导深度特征融合模块（PG-DFFM）。在PG-DFFM中，采用解析传热模型获取熔池模拟数据，并通过3D-CNN与 CB-ATTM完成机理知识的特征提取与编码。

图1 方法总体框架

2.熔池特征序列编码

图2展示了本研究对于熔池图像及多源信号的数据预处理过程。以指定感兴趣区域（ROI）为对象开展熔池图像生成，将单格晶胞熔化区划分为4个2mm×2mm的ROI。采集ROI内全部熔池图像，包含部分熔池落入区域的样本，以覆盖重熔与再凝固行为带来的状态变化。为保证边界信息完整性，近红外、光电二极管与可见光信号采集窗口设为ROI尺寸的1.08倍。基于熔池量化特征对图像进行排序，构建去时序化的熔池特征序列。本研究以熔池面积为排序依据，重构数据内在逻辑，表征熔化区内熔池的稳定性、收缩与扩张等分布规律，反映热输入与能量集聚演化趋势。为统一深度学习输入维度，对各ROI序列均匀采样至32帧图像。

图2. 熔池特征序列构建

3.物理导引多源数据融合模型

如图3所示，PG-MSDF 模型采用三个并行分支，分别对近红外（NIR）、光电二极管及可见光（VL）图像进行特征提取，并分别针对浅层结构与深层结构设计了专用的特征融合模块。在浅层结构中，设计了跨分支注意力模块（CB‑ATTM）以实现多源信息的交互。在深层结构中，提出了物理引导的数据融合模块（PG‑DFFM），用于完成多源特征的最终融合。该模块由交叉注意力融合模块（CFM）、深度融合模块（DFM）及物理引导分支（PG‑branch）构成。

图3 多源信号融合模型架构

4.从数据生成到低成本熔融监测

将 PG-MSDF 模型迁移至孔隙度等级分类任务，如图4所示。由此，将用于熔池特征序列生成的网络定义为生成器，用于孔隙分类的网络定义为分类器。分类器借助生成器将多源低成本信号转化为与熔化状态强相关的熔池特征，进而实现成形质量判别，验证多源数据融合模型在过程监测中的可扩展性，为 LPBF 低成本在线监测提供新范式。

图4 孔隙度识别模型

5.实验结果展示

5.1 熔池图像生成

图5展示了PG-MSDF模型的典型生成结果。为直观对比生成图像与真实图像的一致性，从生成结果中提取熔池轮廓并与真实熔池匹配，以此验证熔池形貌生成精度。结果表明，二者轮廓高度重合，说明模型可基于低成本多源信号实现高质量熔池图像生成。同时，原图中的飞溅与羽流信息被弱化，表明模型已有效聚焦熔池核心特征的提取与重构，也体现了采用自编码器（AE）作为上游模型的必要性：通过自编码器对特征进行无监督降维压缩，可有效抑制飞溅、羽流等噪声，在保留熔池完整信息的同时降低学习空间复杂度。此外，本研究采用SSIM）、PSNR及熔池面积特征等指标对模型性能进行定量评价。表1展示了不同信号源组合输入下的模型性能对比结果，表2展示了PG-MSDF模型消融实验结果。

图5. 图像生成结果

表1 不同信号源组合输入下的模型性能对比

表2 模型消融实验对比结果

5.2 孔隙度识别

本节分析PG-MSDF在熔化状态分类中的性能，探究生成熔池图像序列的应用场景，体现数据生成在LPBF监测中的价值。通过引入生成的熔池特征序列作为补充特征输入，提升模型监测效果。

该任务中，PG-MSDF分类器结合低成本信号与生成的熔池数据，识别工件孔隙度等级（低、中、高，对应匙孔或未熔合缺陷）。表3对比两种输入方式的分类性能：(1)仅使用低成本多源信号；(2)加入生成的熔池特征序列。图6通过混淆矩阵进一步对比二者的孔隙度分类效果。

结果表明，引入生成熔池特征序列可有效提升预测精度，准确识别匙孔与未熔合下的孔隙等级，最终分类准确率达90%以上，精确率与召回率分别提升至88.49%、90.24%，F1分数达0.8922。这为工业化高效低成本LPBF监测提供可行方案：模型训练阶段使用高成本熔池图像数据，部署阶段仅采用可见光、近红外、光电二极管等低成本信号。

表3 孔隙度识别准确率

图6 分类结果混淆矩阵

 小结

本研究提出了一种面向LPBF低成本过程监测的物理引导多源数据融合方法，覆盖熔池数据生成至熔化状态识别的全流程，主要创新点如下：

(1) 针对多源数据融合存在的浅层拼接、全局表征不足等问题，提出CB-ATTM与DFFM模块，在浅层实现成对数据高效交互与自适应赋权，在深层通过查询矩阵编码、特征融合与差分运算实现全局特征深度聚合，提升多源特征提取与融合能力。

(2) 提出物理引导的熔池图像序列生成方法，通过PG-branch将数值模拟熔池信息转化为可学习权重，实现物理知识与监测数据的异质融合，为数据生成施加物理一致性约束，完成高保真熔池图像重构。

(3) 构建LPBF物理引导多任务监测框架，将熔池生成模型高效迁移至缺陷检测任务，融合生成数据与低成本原位信号，显著提升缺陷识别精度，为LPBF过程低成本、规模化、高精度在线监测提供理论支撑与技术方案。

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中南大学与南洋理工大学的联合研究团队系统研究了LPBF增材制造工艺制备的Al0.5CoCrFeNi高熵合金的拉伸性能、变形机制以及高周疲劳（HCF）响应，为理解LPBF 高熵合金的变形与疲劳机制提供了系统认识，并为通过“晶格摩擦工程”设计高强度、耐疲劳的增材制造高熵合金提供了指导。

激光粉末床熔融制备 Al0.5CoCrFeNi高熵合金的高周疲劳行为及变形机制研究

郑聃，牛朋达，甘科夫，袁铁锤，李瑞迪
中南大学，冶金与环境学院
中南大学，粉末冶金国家重点实验室
南洋理工大学，机械与宇航学院

研究结果表明，该直接打印态高熵合金在室温下实现了高强度与高延性的显著协同（899MPa与39%延伸率）。单轴拉伸变形主要由平面滑移、微带（microband）形成以及层片状位错边界（lamellar dislocation boundaries）的发展所主导，即使在接近断裂处也未观察到变形孪晶。在循环载荷下，该合金表现出明显的应力敏感性：在450 MPa时疲劳寿命急剧降低（43,802 周次），而在400 MPa时寿命提高至 544,320周次；当应力幅为 340 MPa时，循环次数超过10,000,000 次且试样未发生失效。值得注意的是，在循环加载过程中观察到变形孪晶，尤其在裂纹尖端附近。该合金固有的高晶格摩擦应力能够有效抑制广泛的循环应变局部化，从而在中等应力水平下提升其疲劳抗力。

 文章亮点

1.LPBF直接打印态Al0.5CoCrFeNi高熵合金在室温下实现高强—高延性协同~899 MPa 强度与39%延伸率。

2.单轴拉伸变形以平面滑移、微带（microband）形成及层片状位错边界演化为主，即使接近断裂也未观察到变形孪晶。

3.高周疲劳表现出显著应力敏感性，且循环加载（尤其裂尖附近）可激活变形孪晶；合金固有的高晶格摩擦应力可抑制广泛循环应变局部化，从而提升中等应力水平下的疲劳抗力，并为“晶格摩擦工程”设计提供思路。

内容简介

日前，中南大学大学粉末冶金国家重点实验李瑞迪教授课题组在Rare Metals上发表了题为“High cycle fatigue behavior and deformation mechanisms of Al0.5CoCrFeNi high entropy alloy by Laser powder bed fusion”的研究文章。通过提高晶格摩擦应力（lattice friction stress）协同提升打印态Al0.5CoCrFeNi合金的强塑性，更关键的是，该合金在单轴拉伸下几乎不发生孪生，但在疲劳裂纹尖端的强局部应力场中会触发孪生，从而改变裂尖塑性区演化与裂纹扩展路径。

采用LPBF制备Al0.5CoCrFeNi高熵合金，利用EBSD（相/织构/晶粒形貌）、ECC（细观变形与微带）、TEM（位错结构/层错/孪生）等表征手段研究了疲劳前后样品的组织演变：疲劳裂纹对LPBF 过程引入多尺度异质性（晶粒形貌、胞状亚结构、残余应力、缺陷）极其敏感。通过提高合金晶格摩擦应力，合金在循环加载过程中有效抑制应变局部化，在中等应力水平下提升其疲劳抗力，合金疲劳极限为340MPa，约为强度的38%。研究为理解LPBF 高熵合金的变形与疲劳机制提供了系统认识，并为通过“晶格摩擦工程”设计高强度、耐疲劳的增材制造高熵合金提供了指导。

 关键图文解析

图1 直接打印态Al0.5CoCrFeNi合金的物相鉴定与成分分析：（a）XRD图谱显示合金为FCC单相固溶体; (b) 合金的SEM观察和EDS能谱了均匀的元素分布；(c）样品的EBSD相分布图进一步证明了FCC单相基体；（d）各合金元素的含量。

图3直接打印态Al0.5CoCrFeNi合金的显微组织：（a-c）打印态合金在不同放大倍数下的STEM明场像；(d）基体的电子选区衍射花样.；（e）基体的高分辨图片（HR-TEM, (f-g) STEM显示了片层状的周期性析出物及其元素分布特征。

图文小结(图1-4)

EBSD + ECC + TEM 显示打印态具有典型 LPBF 层级组织，以柱状晶粒为主，局部夹杂细小等轴晶，晶内存在明显胞状/亚结构（~500 nm 量级）与高位错密度。TEM中可见堆垛层错与局部层片状特征。LPBF典型特征为强-塑-疲劳性能协同提供了可能：强度接近900 MPa，延伸率接近40%，疲劳极限约340 MPa。

图4 合金的力学性能：（a）单轴拉伸应力应变曲线；（b）疲劳SN曲线。

图6 EBSD表征了合金在单轴拉伸不同应变下的显微组织演变:（a1-b4）20%应变；（c1-d4）断口附近。

图7 利用STEM表征了单轴拉伸不同应变下的位错组态:（a-c）20%应变；（d-f）断口附近。

图文小结(图5-7)

EBSD+ECC+TEM显示，在单轴拉伸下，早期出现microbands（微带），随应变增加形成层片状位错边界（lamellar dislocation boundaries），即使接近断裂，也几乎看不到变形孪晶。结果表明：Al 提升晶格摩擦应力，抑制部分位错分解与孪晶形核，从而导致变形主要由位错的强平面滑移主导。

图8 高应力（450MPa）疲劳断口附近的微观组织观察：（a-b）裂纹尖端形貌，(c1-d3)尖端不同区域对应的IPF、KAM以及相分布图。

图10中应力（400MPa）疲劳断口附近的微观组织观察：（a-b）裂纹尖端形貌，(c-e)尖同区域对应的ECC图（电子衍衬图），显示了疲劳断口附近有孪晶形成。

图11中应力（400MPa）疲劳断口附近的微观组织观察：（a-c）分别对应不同区域的IPF、KAM以及相分布图。

图文小结（图8-11）

ECC/EBSD/TEM显示了在循环载荷下，裂纹尖端区域出现PSBs（持久滑移带），局部纳米晶化和变形孪晶，表现出与单轴拉伸不一样的断裂机制。结果表明：循环加载条件下，裂纹尖端局部应力集中，显著提高不全位错的分解驱动力，位错与孪晶“局部被激活，从而形成了滑移 + 孪晶的混合断裂机制。

 全文小结

1.揭示“单调拉伸与循环加载的变形机制可显著不同”，尤其是孪生在裂尖区域的条件性激活，为理解AM合金疲劳提供了可迁移框架；

2.提出并验证“晶格摩擦工程”思路——通过成分设计提高lattice friction stress，以抑制循环应变局部化并提升中等应力幅下的疲劳抗力；

3.将S-N行为、断口形貌与裂尖微观机制联动，形成从宏观寿命到微观机制的闭环证据链。

论文引用

Zheng, Dan, PengdaNiu, KefuGan, TiechuiYuan, and RuidiLi. 2026. “High-Cycle Fatigue Behavior and Deformation Mechanisms of Al0.5CoCrFeNi High-Entropy Alloy by Laser Powder Bed Fusion,” Rare Metals: e70314.

https://doi.org/10.1002/rar2.70314.v

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高功率电子器件经历了快速的小型化发展，导致在日益紧凑的组件中产生显著提高的热流密度。这一趋势对航空航天、电动汽车和高性能计算等众多行业的热管理构成了重大挑战。随着热流密度持续增加，传统冷却方案正逐渐接近其运行极限。其中，广泛应用于电子冷却系统的传统直通道散热器，在高热流密度条件下越来越难以满足严苛的散热需求。

为提升热性能，研究学者们探索了多种针对散热器的几何优化策略，包括改进的通道截面形状、蛇形或波浪形流道，以及翅片和肋片等内部强化结构。此外，微通道散热器因其高表面积体积比和在热流密度条件下的卓越排热能力而受到广泛研究，使其适用于高功率密度电子应用。

然而，这些基于参数和基于形状的优化方法受限于预定义的几何构型，极大地限制了设计空间，并阻碍了真正最优冷却架构的发现。

近日，南洋理工大学与北京航空航天的联合研究团队针对高热流电子器件热管理需求，搭建多材料拓扑优化（MMTO）设计框架，将增材可制造的Rhombi–Octet 晶格结构与拓扑优化结合，制备出宏观拓扑一致、晶格尺寸不同的 L1/L2/L3 三种散热器。并通过实验验证了MMTO 结合增材制造用于高热流器件散热的可行性。

研究成果以“Additively Manufactured Multi-Material Topology-Optimized Heat Sink for Advanced Thermal Management”为题，发表于《Applied Thermal Engineering》期刊。

10.1016/j.applthermaleng.2026.131504

 拓扑优化与增材制造
     改善热-流性能

近年来，随着增材制造技术的快速发展，具有日益复杂内部几何形状的散热器得到了探索，以增强热性能。与传统制造方法相比，增材制造提供了显著更大的设计自由度，使得制造以前难以或无法实现的复杂内部流道成为可能。这一能力为开发具有增强传热特性的先进冷却结构开辟了新的机遇。

在此背景下，拓扑优化（TO）已成为一种用于生成高性能冷却结构的强大设计工具。与传统的基于参数的优化方法不同，TO不依赖于预定义的几何形状。相反，它允许设计域内的材料分布根据物理目标和约束进行演化，从而能够自动生成创新的热-流构型。

近年来，TO已广泛应用于传热和流体流动系统，包括散热器、换热器以及冷板冷却通道。其在改善热-流性能方面的有效性已被多项研究所证明。先前的研究表明，与传统散热器构型相比，TO能够显著提升热-流性能。这些研究也凸显了采用多目标公式以实现更优热-流权衡的益处。

多孔点阵结构因其大的表面积体积比以及通过增材制造实现的增强对流传热，近年来在散热器设计中受到越来越多的关注。各种点阵拓扑结构，如体心立方（BCC、菱方八面体（Rhombi-Octet和三周期极小曲面（TPMS）等已被探索，并显示出相较于传统设计有所改善的热-流性能。

然而，现有研究大多依赖于预定义的点阵几何形状和手动分配的空间分布，这种方式限制了对增材制造所提供的完整设计自由度的利用。

 同时优化材料分布、传热与流体流动的
     复合冷却架构

在实际冷却系统中，散热器通常由多个功能区域组成，包括固体导热路径、流体通道和强化传热结构。同时优化这些组件的空间分布仍然具有挑战性。多材料拓扑优化（MMTO）为此提供了一种有前景的解决方案，它能够在设计域内同时分配多种材料相，从而自动生成集成了实体、流体和点阵区域的复合冷却架构。

MMTO最初在固体力学领域发展起来，用于设计具有高刚度的轻质结构。近年来，MMTO已扩展到热及热-流系统，使得能够在多个物理目标下同时优化材料分布、传热和流体流动。

目前，诸多学者在MMTO散热器设计领域取得了一些进展，但针对MMTO散热器的实验验证仍然有限，且现有研究大多采用多孔介质模型来表征商业金属泡沫，这并未反映MMTO散热器的可制造性问题。

随着增材制造的快速发展，复杂的点阵结构现在可以高保真地制造出来，使得实体、流体和强化传热结构能够无缝集成到一个单一组件中。因此，将此类可制造的点阵结构融入MMTO框架，对于将拓扑优化设计转化为实用的冷却装置至关重要。

本文作者团队所开展的工作创新性体现在三个关键方面。

第一，与先前采用均匀化多孔介质表征的MMTO研究不同，这项研究将显式解析且可通过增材制造实现的点阵几何形状集成到优化框架中。

第二，对MMTO设计的散热器进行了实验验证。此前，针对多材料拓扑优化冷却结构的此类实验研究仍鲜有报道。

第三，系统研究了点阵尺度对热-流性能的影响，为基于MMTO的冷却系统的设计和性能权衡提供了新的见解。

这项研究通过开发一个用于水冷式散热器设计的MMTO框架来填补上述研究空白。该框架基于完整的达西-福希海默动量模型，同时优化固体导热路径、流体流动通道和点阵强化传热结构的分布。用于表征点阵结构的多孔介质参数（包括渗透率和惯性阻力系数）通过对增材制造的点阵样品进行实验测量获得，确保了优化模型中点阵流动行为的真实表征。

所得MMTO散热器采用激光粉末床熔融增材制造技术制造，从而能够在一个可制造的冷却架构中集成实现这些功能区域。研究团队通过实验评估了MMTO散热器的热-流性能，并与重量相同的传统直翅片散热器进行了比较。

研究首次展示了一种基于MMTO设计的功能性散热器，并通过实验证实了其增强的热-流性能，凸显了将拓扑优化与增材制造相结合用于下一代热管理系统的潜力。

 图文解析

研究团队增材制造技术制造了三种具有相同优化宏观拓扑结构、但点阵单元尺寸不同（L1、L2 和 L3）的MMTO散热器构型，并在加热功率100–700W（对应热流密度约1.8–12.9 W/cm²）和冷却液流量0.1–0.5 L/min 条件下进行了实验评估。

以传统直翅片散热器作为对照基准。结果表明，MMTO散热器在散热能力上显著优于传统直翅片设计。依据工况不同，MMTO结构比直翅片散热器的基底温度降低约10–16°C，热阻最大降低46%。性能提升归因于优化的材料分布促进了冷却液的高效输运以及加热区域附近的局部对流传热。点阵尺度也对MMTO散热器的热-流特性起着重要作用。L2具有最高的压降（61–71 Pa），而直翅片基准约为30Pa；L3由于冷却液在更细小点阵结构中的穿透能力有限，其冷却性能略有下降。综合考虑强化传热与水力损失，L1提供了最佳的综合热-流性能，其热性能系数（TPI）达到1.2。

图1、MMTO几何模型（单位：mm）

图2、本研究中使用的晶格结构。

图3、（a）材料分布 1 （白色区域表示液体，黑色区域表示固体/晶格介质），以及（b） 2 （白色区域代表固体，黑色区域代表晶格和流体域）。MMTO散热器（c）温度和（d）速度分布。（e）描绘三种材料分布的示意图：蓝色流体、白色固体和紫色格子。

图4、MMTO结果的网格独立检查：（a）最大网格大小=0.6mm，（b）最大网眼尺寸=0.5mm，（c）最大网格尺寸=0.4毫米。

图5、MMTO结果：（a）功率=200W，（b）功率=250W，（c）功率=300W。Re=200。

图6、在（a）220 W、（b）300 W和（c）380 W下运行的通用铜散热器的温度轮廓。

图7、附加制造的MMTO散热器：（a）MMTO L 1，（b）MMTO I 2，（c）MMTO II 3，（d）直翅片。

图8、MMTO散热器的显微镜图像：（a）MMTO L1，（b）MMTO L2，（c）MMTO L3。

图9、（a） 实验装置示意图。（b）散热器中热电偶的位置（单位：mm）。

图文解析部分转载自：洞见热管理

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近日，多伦多大学 (University of Toronto, UofT) 材料科学与工程系邹宇（Yu Zou）教授团队联合英国伦敦大学学院（University College London, UCL）Peter D. Lee教授团队以及加拿大英属哥伦比亚大学（University of British Columbia, UBC）Xiaoliang Jin教授，在增材制造领域顶刊《Additive Manufacturing》发表重要综述文章。

研究以”Directed energy deposition additive manufacturing: microstructure and composition engineering for high-performing metallic materials”为题，系统归纳并剖析了利用定向能量沉积（DED）技术实现下一代高性能金属材料的四大核心策略，为材料科学界和工业界提供了全面的前沿参考。

本期谷·专栏将分享该综述文章的亮点内容。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2026.105240

第一作者：Xiao Shang 尚笑
通讯作者：Yu Zou 邹宇
单位：多伦多大学材料科学与工程系
邮箱：
mse.zou@utoronto.ca,
xiao.shang@mail.utoronto.ca

 研究背景与动机

现代工业对金属材料提出了前所未有的挑战，要求其不仅需要优越的力学性能，还需兼具热、磁、电、生物相容性等多功能特性。然而，传统制造工艺难以在不增加重量、复杂连接或高额成本的前提下同时满足上述需求。

究其根本，材料的宏观性能是其微观结构与化学成分的综合体现，涉及晶界、晶粒取向、相组成等多尺度特征。因此，精准调控微结构与成分是实现材料性能飞跃的根本途径。

增材制造（Additive manufacturing, AM），尤其是定向能量沉积（Directed energy deposition, DED）技术，凭借其多材料进料的灵活性和辅助硬件的易集成性，为实现正确位置打印正确材料和独特结构实现独特功能提供了理想平台。

 四大核心策略

本综述将DED微结构与成分工程系统归纳为四大类别：

1)非连续功能梯度材料（DFGMs）；2)连续功能梯度材料（CFGMs）；3) 高通量原位合金；4)外场辅助微观结构调控，如图1所示。每类均从力学/功能性能、设计与建模策略以及当前挑战三个维度展开论述。

图1 综述涵盖的四大类高性能金属材料DED制造策略示意图：(a) 非连续功能梯度材料（DFGMs）；(b) 连续功能梯度材料（CFGMs）；(c) 高通量原位合金；(d) 外场辅助微观结构调控。

一、非连续功能梯度材料（DFGMs）

DFGMs通过清晰的材料边界在同一构件中集成多种材料，实现多功能化。自然界中，人类牙齿、螳螂虾附肢和多刺鱼骨针等均体现了DFGM结构的精妙设计逻辑。

借助DED技术，研究人员已实现包括层状DFGM、体素化DFGM等多种结构，通过诸如约束颈缩共变形（图2）、异质变形诱导（HDI）硬化以及相变诱导塑性（TRIP）等机制，突破了传统强度-塑性权衡限制。

图2 DFGMs以及其力学性能提升及强韧化机制示例：(a) 层状DFGM制备工艺；(b) 限制颈缩协同变形强化机理以及 (c) and (d) 其拉伸断口形貌对比。

DFGMs不仅具有出色的结构功能，还可以展示出超越单一材料体的非力学特性，例如QR码信息编码：利用不同钢种在化学腐蚀或磁粉检测下的差异响应，实现隐性信息写入，为高净值零部件溯源和防伪提供全新思路（图3）。

图3 DFGMs的非力学多功能特性-QR码信息编码的展示、化学显影及磁粉显影结果。

二、连续功能梯度材料（CFGMs）

CFGMs通过成分或微观结构的连续梯度变化，实现相邻材料间的平滑过渡，有效避免了界面应力集中与裂纹萌生。

CFGMs的设计策略包括基于CALPHAD的成分路径规划以及计算流体动力学（CFD）模拟熔池内的成分演化，结合机器学习方法可进一步提升设计效率与预测精度。

图4 通过DED制造的CFGM示意以及其逐步变化的力学性能。

三、高通量原位合金

原位合金是一种在DED过程中实时混合多种粉末以创制新合金的策略。与传统弧熔或粉末冶金相比，DED可以实现各种元素或材料配比的精准调控，在抑制偏析、稳定非平衡相以及通过工艺参数调控凝固行为方面具有独特优势，使其成为高通量新合金开发的理想平台。

图5 基于DED的高通量原位合金化示意：多粉末料斗供料，在DED平台上实现多成分组合的高通量合成与表征。

四、外场辅助微观结构调控

通过在DED过程中施加磁场、超声场、热场或变形场等外部物理场，可对熔池动力学和凝固行为进行实时调控，从而实现晶粒细化、成分均匀化以及特定织构的形成。

图6 各类外场辅助DED工艺示意：(a) 磁场辅助（MF-DED）；(b) 振动场辅助（VF-DED）；(c) 热场辅助（TF-DED）；(d) 变形场辅助（DF-DED）。

 设计与建模策略

该综述文章系统梳理了面向高性能金属材料设计的建模方法，涵盖从传统经验式仿生设计方法，CALPHAD热力学计算，到前沿机器学习方法的完整技术谱系。

其中，CALPHAD方法可预测多组元体系的相平衡与成分路径，为CFGM设计提供热力学指导。计算流体动力学（CFD）则被广泛用于模拟DED熔池的温度场、流场以及成分分布，其结果与实验观测高度吻合。有限元分析（FEA）方法因其高速高效的特点，被用于模拟残余应力行为和多材料打印过程中的熔合、蒸发与混合。

值得一提的是，机器学习正在成为DED材料开发的重要驱动力。从工艺参数优化、性能预测代理模型，到基于多目标优化算法的加速逆向设计，数据驱动方法显著提升了新材料开发的效率与成功率(图7)。

图7 机器学习在DED高性能材料工程中的应用示例：基于深度学习与遗传算法的工艺参数优化框架（AIDED），可以将传统基于试错的工艺参数优化高效提升至仅数小时。

 挑战与展望

综述文章指出，当前DED微结构与成分设计调控仍面临来自工艺、结构和性能三个层面的系统性挑战：

在工艺层面（Process），多材料3D打印过程中的送料精度与同步性控制、高维工艺参数空间的优化效率，以及外场与打印过程的耦合机理，均亟待深入研究。

在结构层面(Structure)，多材料界面处的高梯度残余应力和热膨胀系数失配诱发的开裂与翘曲，是影响构件可靠性的重要因素。

在性能层面(Property)，材料性能对局部微观结构特征的高度敏感性、跨梯度的精确性能预测工具的缺乏，以及材料属性（如强度-导电性）等多性能之间的固有权衡，仍制约着设计空间的充分利用。

图8 性能层面挑战示例：PH17-4/SS316L DFGM界面微观结构表征以及材料微观结构差异。

 未来展望

展望未来，综述文章提出了推动DED高性能金属材料进一步发展的三大互联方向：

1.智能化加工（Innovative Processing）：发展具备实时反馈与自适应控制能力的智能DED系统，集成同步辐射X射线成像、高速光学诊断等原位表征手段，实现熔池行为的精准监控与调控。

2.精准建模（Accurate Modelling）：构建涵盖热力学、流体动力学与固态演变的多物理耦合、多尺度模拟框架，提升对成分梯度和外场影响下微结构演化的预测能力。

3.机器学习（Machine Learning）：开发基于实验与仿真联合数据的高精度代理模型，建立逆向设计闭环，利用大语言模型整合多源知识，加速材料高通量高效设计的实现。

图9 DED微结构与成分工程的未来发展路线图：智能化加工、精准建模与机器学习三大方向协同驱动高性能金属材料的可靠制造。

上述三个方向的协同推进，将使DED平台逐步走向自适应甚至自主运行，实现工艺控制与性能目标的确定性导航，最终将DED确立为下一代高性能金属材料制造的强大且可扩展的核心路线。

多伦多大学的这篇综述，以过程-结构-性能（P-S-P）关系为核心视角，系统整合了DED领域在功能梯度材料、原位合金化以及外场辅助微管结构设计调控四个维度的最新进展。通过兼顾力学与多功能特性的综合分析，以及涵盖高通量实验和机器学习的前沿建模方法，该综述不仅是科研人员的重要参考，也为工业界探索DED技术的规模化应用提供了坚实的理论与实践指导。

研究团队主页

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磁驱动器件在辅助诊断、靶向给药、微创手术等生物医学领域具有独特的优势。由于软磁材料能够在磁驱动中表现出不同的动态行为，因此可以实现更复杂和灵活的磁驱动。

其中，FeSiB非晶/纳米晶合金因具有高饱和磁化强度、低矫顽力等优异的软磁性能与良好的生物相容性，在磁驱动领域表现出极大的应用潜力。

然而，如熔体旋淬法等传统制备方法虽能通过高冷却速率获得非晶相，但只能制备简单形状的薄带或细丝，难以满足器件对复杂结构的需求。因此，探索兼具高冷却速率与几何定制能力的制备工艺是实现FeSiB非晶/纳米晶合金在磁驱动器件领域应用的关键。激光粉末床熔融（LPBF）金属增材制造/3D打印技术的出现为这一难题提供了解决方案。

近日，中南大学研究团队在JMST期刊发表了题为Competitive microstructural evolution on the soft magnetic and mechanical properties of FeSiB amorphous/nanocrystalline alloys fabricated by laser-beam powder bed fusion的论文。揭示了LPBF增材制造成形FeSiB合金中致密度与非晶化程度的竞争性演变规律及其对软磁性能的交换耦合调控机理。

本期谷·专栏将对JMST刊登的论文解读内容进行分享。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.04.063

第一作者：高成德
通讯作者：帅词俊
通讯单位：中南大学

01
激光增材制造FeSiB合金成型质量-非晶度的竞争关系

LPBF作为一种典型的金属增材制造技术，突出的特点就是快速凝固、非平衡组织的构建和高工艺自由度。

在LPBF过程中，激光功率、扫描速度等工艺参数共同决定体能量密度，从而影响熔池行为、成型质量以及相结构。

中南大学的研究发现，合金密度随着激光功率升高和扫描速度降低而增加。然而，较低扫描速度或较高激光功率条件下的低冷却速率却不利于非晶相的形成。

相关性分析显示出合金的致密度与非晶含量之间存在竞争关系，因此，优选工艺参数下致密度和非晶含量的合理平衡是获得最佳综合性能的必要条件。

02
FeSiB合金非晶/纳米晶双相结构的形成与共存机制

LPBF制备FeSiB合金呈现典型的非晶/纳米晶双相结构，即以非晶相为基体，α-Fe(Si)与Fe2B纳米晶晶粒嵌布于基体中，这些纳米晶颗粒通常集中分布在熔池边界或热影响区。

由于LPBF过程中存在极高的冷却速率，熔池在快速凝固过程中能够抑制原子长程有序排列，从而形成以非晶相为主的基体结构。然而，由于熔池内部存在温度梯度和热循环效应，局部区域仍可能发生部分晶化，从而形成纳米尺度的晶体相。

03
FeSiB合金软磁性能的影响因素与调控机理

LPBF制备FeSiB非晶/纳米晶合金的软磁性能主要由非晶/纳米晶双相结构、晶粒尺寸、内部缺陷等多因素共同决定。

非晶结构由于缺乏晶界和低磁各向异性，可显著降低矫顽力，纳米晶相的引入能够通过非晶基体与纳米晶体之间交换耦合作用来提高饱和磁化强度，当纳米晶尺寸处于纳米尺度且均匀分布时，可在保持较低矫顽力的同时提升磁化能力。

然而，晶粒尺寸增大或晶体相含量过高会导致磁畴壁运动受到阻碍，从而增加矫顽力并降低软磁性能。与此同时，合金中的孔隙和裂纹等缺陷也会作为畴壁的钉扎位点并导致矫顽力恶化。因此，非晶/纳米晶结构和成型质量的平衡是LPBF制备FeSiB合金实现高饱和磁化强度与低矫顽力的关键。

04
FeSiB合金的力学性能与强化机制

LPBF制备FeSiB非晶/纳米晶合金因其非晶/纳米晶双相结构展现出增强的力学性能，并受到合金的非晶化程度与致密度的共同影响。

非晶结构由于缺乏位错滑移机制，通常具有较高的硬度和强度，但塑性相对有限。通过在LPBF制备FeSiB合金的非晶基体中引入纳米晶强化相，可显著提升合金的塑性变形能力。

与此同时，合金的孔隙等内部缺陷往往会在加载过程中成为裂纹萌生源而导致合金的力学性能下降。因此，研究团队通过调控LPBF工艺参数以实现材料致密度与非晶含量之间的平衡，从而制备兼具软磁性能和力学性能的FeSiB非晶/纳米晶合金。

05
总结与展望：激光增材制造软磁合金的未来

为解决传统制备方法在FeSiB非晶/纳米晶合金制备过程中存在的外形结构受限和生物安全威胁的问题，这项研究创新性采用LPBF技术制备FeSiB非晶/纳米晶合金，系统探究了LPBF工艺参数对合金的成型质量、显微结构、软磁性能和力学性能的影响规律，重点揭示了工艺参数调控下合金致密度和非晶度竞争性的内在机制及其性能增强机理。

结果表明，LPBF技术是实现FeSiB合金结构与性能定制化调控的有效方法，其通过平衡致密度与非晶化程度的竞争关系，为高性能软磁合金在磁驱动领域的应用提供了新思路和研究支撑。

06
图片解析

图1 不同能量密度（E，200-1000 J/mm³）下单道熔道的超景深图像。具体的激光功率（P）和扫描速度（v）如下：(a) 160 W，240 mm/s；(b) 200 W，240 mm/s；(c) 250 W，200 mm/s；(d) 300 W，160 mm/s；(e) 300 W，120 mm/s。

图2 LPBF制备的FeSiB样品的（a）密度和（b）非晶含量随激光功率（P）和扫描速度（v）变化的等高线图；（c）能量密度、激光功率、扫描速度、密度和非晶含量的相关矩阵（皮尔逊相关系数和斯皮尔曼秩相关系数）。

图3 LPBF制备的FeSiB样品的密度/非晶含量与激光功率、扫描速度和能量密度的点云图，以及拟合函数和R²值。

图4 LPBF制备的P300v220样品的SEM和EBSD分析：(a) 截面结构的SEM图像；(b) 熔池和热影响区；(c)热影响区内的微观结构；(d, f) 相图；(e, g) 对应于(d)和(f)的反极图；(h) 晶界分布；(i) 对应于(e)的晶粒尺寸-面积分数图。

图5 LPBF制备的P300v220样品的明场TEM图像：(a) TEM和SAED（插图）图像；(b) 纳米晶和非晶区域之间的明显界面；(c) 纳米晶和(d) 非晶区域的IFFT和FFT（插图）图像；(e) 非晶相中纳米晶粒和中程有序结构的HRTEM图像；(f, g) 纳米晶粒分布的TEM和HRTEM图像；(h) Fe₂B相的IFFT和FFT（插图）图像。

图6 LPBF制备的FeSiB样品的磁性能：(a) 磁滞回线；(b) Ms和Hc随非晶含量的变化；(c) 磁致伸缩曲线；(d) 饱和磁致伸缩系数（λmax）随非晶含量的变化。

图7 (a) 硬度和(b) 杨氏模量的等高线图（黑点表示压痕位置）；(c) LPBF制备的FeSiB样品的平均硬度（蓝色表示）和杨氏模量（红色表示）；(d) 典型的载荷-位移曲线；(e) 塑性和弹性功的分布区域；(f) 载荷-位移曲线的局部放大图。

论文引用

Chengde Gao, Jingwei Hu, Xiong Yao, Hao Pan, Cijun Shuai, Competitive microstructural evolution on the soft magnetic and mechanical properties of FeSiB amorphous/nanocrystalline alloys fabricated by laser-beam powder bed fusion, J. Mater. Sci. Technol. 246 (2026) 28-43.

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