金属3D打印（增材制造）近年来受到广泛关注，其优势不仅体现在直接制造复杂形状的构件，还体现在其产生的独特微观组织结构。其中，尤为引人注目的是类似蜂窝结构的胞状亚晶结构，与传统金属热机械加工获得的亚晶组织明显不同。这些凝固胞与位错胞在亚微米尺度、取向差很小，却能显著影响材料力学行为。尽管这些非常规亚晶结构在3D打印金属中频频被观察到，其形成机理至今仍不清晰。以往金属增材制造研究多聚焦于工艺参数优化和力学性能提升，而对于这些“胞状结构”究竟如何形成、为何稳定、又如何高效改变运动位错的行为，始终缺乏系统的物理图像。

近日，材料学院材料创新中心（CAID）杨光辉助理教授与马恩教授对这一基础材料科学问题进行了系统研究。通过热力学、动力学分析，全面总结实验表征与数值模拟等方面的数据，完整地揭示了3D打印金属中胞状结构的演化路径，提出了位错胞形成的机制框架。相关成果以《增材制造金属中非常规亚晶结构的形成》（“Unconventional sub-grain structures formed in additively manufactured metals”）为题的综述论文发表在材料科学领域的顶级期刊《今日材料》（Materials Today，IF=22）上。西安交通大学材料学院杨光辉助理教授为论文第一作者,并与马恩教授同为通讯作者。

图1 3D打印过程中凝固胞与位错胞形成示意图。

研究指出，3D打印过程中独特胞状结构的形成源于三个相互关联的关键过程（图1）：定向凝固、凝固胞形成以及位错胞形成。在快速凝固与强温度梯度作用下，金属首先经历定向凝固；随后，由于溶质排斥与成分过冷，形成具有溶质偏聚特征的凝固胞；在此基础上，3D打印特有的反复热循环内应力诱发大量位错生成，这些位错在凝固胞的“模板”引导下重新组织排列，最终形成规则的位错胞网络（图2）。

图2 3D打印金属中位错胞的形成与演化示意图

进一步，论文重点回答了下述5个领域内普遍关心的问题：1.位错胞是如何“搭建”起来的？2.为何位错胞如此细小且晶体取向几乎一致？3.这样的亚晶结构如何同时提升强度与加工硬化能力？4.传统热机械处理为何不能产生这种非常规结构？5.不同材料、不同工艺时，如何影响位错胞的调控？论文以万字篇幅详细讨论了这些关键问题的物理机制，提出了作者的见解与展望。