不裂不变形，还能兼顾强韧性？金属 3D 打印核心难题有解了

接触久了金属3D打印，你会发现一直在跟两个东西作斗争：一个叫残余应力，一个叫强塑权衡（强度与塑性的协同平衡）。

想让零件不裂、不变形，就得拼命降残余应力，结果要么熔池不够深、致密度不达标，要么塑性应变上不去，材料强韧性拉胯；

想让零件又强又韧，就得调控位错、提升塑性应变，结果应力跟着水涨船高，打印完一去支撑，直接翘曲开裂，几十万的零件说废就废。

「输入能量-熔池尺寸-塑性应变-残余应力」之间的强正相关关系，长期制约着增材制造行业的发展，全球的科研工作者与工程师在连续熔化的技术框架内持续进行局部优化与改进，从棋盘扫描、跳熔策略到伪点熔、分区预热等方案，始终未能突破其核心技术瓶颈。

近日，湖南大学整车先进设计制造技术全国重点实验室雷雨超副教授团队，联合西北工业大学凝固技术国家重点实验室、日本东北大学材料研究所，在金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》（2026年第309卷）发表重磅原创研究成果，为该困局的破解提供了系统性解决方案。

该研究以电子束粉末床熔融（EBM）工艺为核心验证载体，完成了单道、单层至多层多道的全流程仿真与实验验证，同时补充验证了激光粉末床熔融（LPBF）工艺的理论通用性，创新性提出「等效无限冷却时间间隔」全新概念，并构建了Real-spot (RS) melting真实点熔策略。

该研究最具颠覆性的价值在于，彻底打破了行业延续数十年的「应力-应变正相关铁律」，在全球范围内首次实现：在保证熔池尺寸稳定性（熔深误差＜8%）、不牺牲零件成形质量的前提下，同步实现宏观残余应力的显著降低与累积等效塑性应变的大幅提升。

此举标志着金属增材制造领域的机械场调控，正式从「被动应对缺陷」迈入「主动精准调控」的全新发展阶段。

湖南大学整车先进设计制造技术全国重点实验室为论文第一完成单位；雷雨超副教授为论文第一/共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（青基）及重点研发计划青年科学家项目的资助。

为什么这么多年，残余应力一直解决不了？

在探讨该研究的创新思路之前，需首先明确行业核心痛点：全球范围内，科研与工程领域长期致力于残余应力调控研究，但始终未能触及问题本质。

其核心症结在于：现有工艺优化方案均未突破「连续熔化」的底层技术框架，且未能深刻认知「热积累」的双重作用机制。

过去数十年，行业内针对残余应力调控已开展大量探索，主要优化路径包括：

在LPBF工艺中，通过缩短扫描线长度（采用棋盘格扫描、条纹分区扫描等方式），以期强化热场叠加效应；

在EBM工艺中，将连续线熔拆解为伪点熔（接近论文中定义为PS策略），通过跳过相邻熔道、采用间隔点位熔化（如先熔1、4、7号点位，再熔2、5、8号点位）的方式，尝试降低热场叠加效应；

然而，该研究团队通过系统的仿真分析与实验验证，明确指出了行业现有认知的局限性：上述常规优化策略在热积累显著的实际工业工况中，残余应力调控效果极为有限。

其根本原因在于，此类策略均存在一个核心缺陷：仅实现了熔化路径的空间离散化，未对熔化动作进行有效的时间隔离。

无论采用何种空间拆分或跳转方式，若前一个熔池/熔化点位未完全冷却、热积累未充分消散便启动下一个熔化动作，相邻熔道间的热干扰将始终存在。热积累的持续叠加会不断扩大热影响区，使材料长期处于低屈服强度状态，引发连续单向压缩塑性变形，最终导致残余应力维持在较高水平。

更为关键的是，为确保拆分后熔池熔深达标及零件致密度符合要求，往往需要额外增加能量输入，最终导致残余应力未得到有效降低，反而进一步扩大了熔池尺寸与热影响区，形成恶性循环。

该两难困境可类比为在保障加热效能的前提下抑制水体沸腾，无论是降低加热功率还是引入冷却介质，均难以实现两者的协同兼顾，该局面长期制约行业技术发展，截至目前，行业内尚未形成有效的突破性解决路径。

湖南大学团队提出的创新思路，恰恰针对这一核心困境，提供了全新的解决方向。

二、「等效无限冷却」概念

该研究的首要里程碑式贡献，在于创新性提出「等效无限冷却时间间隔」这一全新核心概念，为增材制造热过程精准控制提供了核心量化标尺与底层理论依据。

「等效无限冷却时间间隔」的核心定义为：

在每一个熔化点位/熔道完成熔凝作业后，预留充足的冷却时长，使整个打印系统温度场完全收敛至预设预热平衡态，待前一熔化动作产生的热积累完全消散后，再启动下一熔化动作。

论文中明确给出该平衡态的量化判据：样品基板最高温度与最低温度差值＜1℃。在此状态下，前序熔池对后续熔池的热干扰趋近于零，每一次熔化作业均为独立可控的熔凝过程，可彻底消除相邻熔道、相邻点位间的热叠加效应。

行业内普遍存在的顾虑为：若对每个熔化点位执行完整冷却流程，将显著降低打印效率。

研究团队通过系统仿真测算表明，在EBM工艺高温热床工况（预热温度1000℃）下，达到「等效无限冷却」状态所需时长仅为0.6-1.6秒。实际生产过程中，无需使设备处于空等状态，可充分利用该冷却间隔，跳转至零件非相邻区域进行熔化作业，或同步完成平台预热、粉末铺平等辅助操作，打印效率基本不受影响。

更为关键的是，该概念首次明确揭示了「热积累的双重作用机制」，这一机制此前长期被行业研究忽视，也是制约残余应力调控技术突破的核心症结：

热积累的负效应：持续扩大热影响区域范围，使更多材料区域处于低屈服强度区间，易引发连续塑性变形，最终导致整体残余应力处于较高水平，这也是行业长期重点防控的问题；

热积累的正效应：可实现材料软化，降低基体弹性模量，进而缓解熔凝过程中的热应力，降低应力峰值，这一正向作用此前未得到充分的显式合理化。

零件最终的残余应力与塑性应变状态，并非由热积累量单方面决定，而是取决于热积累正负效应的平衡关系。

传统工艺设计中，热积累调控多处于盲目状态，或一味减少热积累，或刻意增加热积累，均未对热积累正负效应进行系统性量化分析与权衡。「等效无限冷却时间间隔」概念的提出，首次提供了精准的热积累调控标尺，明确了热积累的合理边界与工艺设计的最优区间。

三、核心技术路径：Real-spot（RS）真实点熔策略的核心特性及与传统点熔工艺的差异

基于「等效无限冷却时间间隔」这一底层理论标尺，研究团队构建了核心技术方案——Real-spot (RS) melting真实点熔策略。

行业内部分从业者易将其与EBM、LPBF工艺中已应用的点熔技术混淆，但二者存在本质差异。

RS策略与行业常规伪点熔（PS）、跳熔工艺存在本质性差异，其核心特征并非简单将线熔拆解为点熔，而是以时间隔离为核心，对粉末床熔融的熔化逻辑进行了底层重构。

RS真实点熔策略的核心技术准则

上述技术准则是RS策略实现残余应力与塑性应变解耦的核心支撑，也是其区别于传统工艺的关键特征，具体包括以下两点：

准则1：时间维度——严格执行「等效无限冷却」的绝对隔离机制

该准则是RS策略与传统工艺的核心差异所在。其核心逻辑为将线性熔道彻底离散为独立的点状熔化单元，每个熔化单元完成熔凝作业后，需待系统温度场收敛至热平衡态，方可启动下一熔化单元的作业。

该机制可彻底切断热积累的传递路径，从根源上抑制连续热叠加引发的塑性变形累积效应。

准则2：空间维度——精准控制瞬时点状熔化，保障熔池尺寸稳定性

每个熔化单元采用瞬时定点熔化模式，通过精准调控单点能量输入参数（EBM工艺为束流停留时间，LPBF工艺为激光曝光时间），在确保熔深误差＜8%的前提下，精准控制熔池及热影响区尺寸，避免热影响区无序扩展，保障零件成形质量与致密度满足工业应用要求。

RS策略的打印效率适配方案

RS策略采用多区域交替熔化的执行模式，可有效规避设备空转等待问题，保障打印效率。

典型执行逻辑如下：将零件打印面划分为多个相互独立的区域，完成区域A某一熔化单元作业后，立即跳转至区域B、区域C等非相邻区域执行对应熔化单元作业；当循环返回区域A时，该区域前一熔化单元已完成冷却并达到热平衡态，可启动下一熔化单元作业。

该执行模式可实现冷却时间的充分利用，确保设备持续处于有效作业状态，在严格遵循等效无限冷却核心准则的同时，保障打印效率不受显著影响。

RS策略实现「降应力+提应变」双向突破的核心机制

塑性应变与其驱动的残余应力的正相关关系，是金属增材制造领域长期存在的技术桎梏，而RS策略通过底层机制创新，实现了二者的双向优化。

其核心机制通过两个维度实现塑性变形本质的重构，具体如下：

空间维度：交替调控塑性应变分量 离散点状熔化模式使熔区塑性应变由传统线熔的单向连续压缩，转变为拉伸与压缩分量交替分布，有效缓解塑性变形的累积效应，从根源上降低残余应力水平；

方向维度：重塑主塑性应变矢量 通过离散点熔设计，将传统线熔中集中于扫描方向的主塑性应变进行重新定向与均匀分散，在提升塑性应变总量（为材料强韧化提供空间）的同时，大幅抵消引发残余应力的有害塑性变形。

上述机制最终实现的技术效果为：宏观残余应力显著降低，有效规避零件变形、开裂风险；同时累积等效塑性应变同步提升，为原位调控位错结构、打破材料「强度-塑性权衡」桎梏提供了全新技术路径。

论文实验数据验证了该效果的可靠性：与传统线熔、伪点熔工艺相比，RS策略可使零件宏观残余应力显著下降，同时显著提升累积与非累积等效塑性应变，零件顶面平整度亦得到根本性改善。

四、工程化落地路径：RS策略在EBM与LPBF设备中的适配性分析

RS策略的工程化落地可行性及适配路径，是行业从业者重点关注的核心问题。结合论文验证结果与工业设备实际特性，明确其落地可行性及适配要点如下：

基于论文验证数据与设备特性分析，RS策略的工程化落地核心结论如下：

理论通用性：RS策略的底层理论体系对EBM与LPBF工艺均具备通用性，论文已完成两种工艺的原理性验证，核心技术效果具有可重复性；

EBM设备落地可行性：工业级EBM设备目前已具备完整落地RS策略的技术条件，可基于该理论体系开发定制化工艺方案；

LPBF设备落地可行性：通用工业LPBF设备短期可借鉴RS策略核心思路实现残余应力优化，完整落地需完成设备、软件、工艺的三重适配。

1. EBM设备：具备即时工程化落地条件，适配工业应用场景

本研究的全流程仿真与实验验证均基于工业级EBM设备完成，EBM设备的原生技术特性与RS策略的核心要求具备良好适配性，具体表现为：

—EBM设备电子束振镜具备微秒级响应速度，跳转速度可达数十米/秒，可精准实现「瞬时定点熔化+跨区域极速跳转」，满足单点能量输入的精准调控需求；

—EBM工艺采用高温热床设计，热量以辐射散热为主，达到等效无限冷却状态所需时长仅为零点几秒，多区域交替熔化的路径规划易于实现，对打印效率影响极小；

—当前主流工业级EBM设备均支持高度定制化的扫描路径规划与束流控制，无需对硬件进行大规模改造，可直接基于RS策略开发定制化工艺包。

在EBM设备核心应用场景——航空航天难焊镍基高温合金打印中，RS策略可从根源上解决热裂纹难题，无需依赖超高预热温度、元素改性等辅助手段，可有效降低工艺门槛与生产成本。

2. LPBF设备：分阶段实现落地，短期可实现应力优化

针对通用工业LPBF设备的RS策略适配性，结合设备特性与工艺需求，客观分析其可行性及限制条件如下：

结合设备特性与工艺需求，从理论可行性、落地限制、实施路径三个维度，对LPBF设备的RS策略适配性进行系统分析：

（1）理论可行性：底层逻辑通用，验证效果明确

残余应力产生机制、热积累双重效应及塑性应变与应力的本构关系，在LPBF与EBM工艺中具备一致性。论文附录已完成LPBF多层多道工艺的补充验证，证实RS策略的核心降应力效果在LPBF体系中同样成立。

（2）完整落地限制：通用设备存在三重技术瓶颈

当前通用工业LPBF设备无法原生完整执行RS策略，核心技术限制集中于以下三方面：

硬件控制能力限制：EBM电子束天然适配定点瞬时熔化，而通用LPBF设备多基于连续线熔设计，多数设备仅支持连续波（CW）激光，缺乏纳秒/微秒级精准脉冲曝光控制，难以实现单点熔深的精准锁定，易出现球化、飞溅等缺陷，影响零件致密度；同时，标准设备的振镜跳转与激光开关同步控制精度，无法满足离散点状熔化的高频启停需求，易引发点位熔合不良。

切片软件与路径规划不兼容：完整RS策略需定制化路径规划算法，实现「离散点位拆分+多区域交替熔化+冷却时间精准嵌入」的协同控制。当前通用LPBF设备配套切片软件均基于连续线熔、分区扫描逻辑开发，原生不支持高度定制化的离散点熔路径规划，无法实现冷却时间与熔化动作的精准联动，需依赖第三方定制化切片软件，甚至修改设备底层控制固件。

工艺工况效率适配难题：LPBF工艺采用冷床设计，基板预热温度多低于200℃（部分场景为室温），热量以基板传导散热为主，达到等效无限冷却热平衡态所需时长远高于EBM工艺。若严格遵循等效无限冷却准则，将显著影响打印效率，需针对零件结构、材料特性开发复杂的多区域交替路径规划算法，目前尚无通用工艺包支撑。

（3）分阶段落地路径：短期见效，中长期实现完整适配

短期（1-2年）：无需设备改造，基于核心思路实现应力优化

即便无法完整执行RS策略，通用LPBF设备可借鉴其核心逻辑开展工艺优化，具体包括：优化扫描路径以延长相邻熔道/分区冷却间隔，最大化降低热叠加效应；优化跳熔路径的热隔离设计，避免连续熔化相邻区域；采用多区域交替扫描模式，减少热积累。上述优化方案可在现有设备上直接实施，尤其适用于航空航天难焊合金、大型薄壁件的开裂防控，调控效果显著优于传统棋盘扫描策略。

中长期：完整RS策略优先在高端定制化LPBF设备落地

随着LPBF设备振镜控制精度提升、超短脉冲激光普及及定制化切片软件成熟，完整RS策略将率先在航空航天、军工等高端定制化LPBF设备上落地，优先应用于零件性能与开裂防控要求高、效率敏感度低的场景，逐步向通用工业场景渗透。

五、行业影响：RS策略对金属增材制造领域的颠覆性价值

RS策略的推广应用，将对金属增材制造领域产生深远影响，其价值不仅体现在单一工艺优化或材料适配层面，更在于实现了金属增材制造工艺设计体系的底层重构，将深刻改变行业发展格局。

具体而言，其颠覆性价值主要体现在以下四个方面：

1. 破解难焊合金增材制造卡脖子难题，降低高端制造门槛

航空航天、燃气轮机等领域常用的镍基高温合金、钛铝合金等难焊合金，其增材制造过程中易因残余应力过大引发晶界开裂，长期制约高端装备制造。

RS策略可从根源上降低宏观残余应力，消除难焊合金增材制造的开裂隐患，无需依赖复杂预热工艺或昂贵元素改性手段，可有效降低工艺门槛与生产成本，进一步打破国产高端装备制造瓶颈。

2. 解决大型薄壁件、复杂结构件变形难题，提升成形精度稳定性

航空航天箭体结构、蒙皮件及新能源汽车一体化结构件等大型、薄壁、复杂零件，是增材制造的优势应用场景，但此类零件易因残余应力释放引发变形，导致零件报废，造成原材料浪费与生产成本增加。

RS策略实现了残余应力的高自由度精准调控，可在打印过程中将残余应力控制在极低水平，从根本上保障零件尺寸精度与形位公差稳定性，推动大型、复杂结构金属增材制造实现「设计即制造」的目标。

3. 打破强度-塑性权衡桎梏，拓展材料性能定制化空间

金属增材制造长期受限于「强度提升则塑性下降」的权衡关系，而材料强韧性本质上由内部位错结构决定，塑性应变是位错结构调控的核心抓手。

传统工艺中，塑性应变提升易导致残余应力激增，限制了材料性能优化空间；而RS策略实现了「降应力与提应变」的双向突破，为通过原位调控塑性应变、主动设计位错结构提供了可能，可实现金属材料的定制化强韧化。

未来，可通过该策略实现零件不同部位的力学性能定制化，使承力部位具备高强度、易变形部位具备高韧性，该特性是传统制造技术难以实现的。

4. 构建工艺设计全新底层框架，推动工艺开发模式升级

过去数十年，金属增材制造工艺开发以经验驱动的试错法为主，工程师需通过大量参数调试与实验验证，才能确定可行工艺窗口，开发效率低下且稳定性不足。

本研究构建了完整的「热积累-熔凝策略-应力应变本构行为」理论体系，提供了可计算、可预测、可设计的工艺开发指南，推动增材制造工艺开发从经验试错向理论驱动转型，这也是该研究的核心长期价值所在。

这才是这项研究，最核心、最长久的价值。

论文核心信息

论文标题：Mechanical field control in electron beam powder bed fusion: Dual effect of heat accumulation and melting strategies based on equivalent infinite cooling time interval

发表期刊：Acta Materialia 2026, 309, 122125

第一完成单位：湖南大学整车先进设计制造技术全国重点实验室

第一/共同通讯作者：雷雨超 副教授

开源论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122125

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