导读：近年来，金属增材制造（Additive
Manufacturing，AM）正从"能制造复杂结构"迈向"能设计材料性能"的新阶段。从航空发动机、航天结构件到医疗植入物，越来越多关键零部件开始采用3D打印制造，而决定其工程应用上限的核心问题，始终离不开力学性能。
2026年7月4日，美国佐治亚理工学院乔治·伍德拉夫机械工程学院朱婷（Ting
Zhu）教授与南加州大学陈文（Wen Chen）教授在国际顶级期刊《Nature Materials》发表题为“Mechanical
behaviour of additively manufactured
metal“的综述论文，对近年来增材制造金属材料力学行为领域的重要研究成果进行了系统梳理，并展望了未来材料设计、工艺控制及人工智能赋能的发展方向。
本综述系统梳理激光粉床熔融(L-PBF)、激光定向能量沉积 (L-DED)等主流金属增材制造（AM）工艺成形金属独特微观组织、各类力学行为、内在机理，围绕强塑性协同、微应力与梯度塑性、断裂与疲劳、高温蠕变四大核心力学行为展开机理分析，覆盖不锈钢、钛合金、铝合金、高熵合金、镍基高温合金、氧化物弥散强化合金等主流增材制造金属。
从"打印零件"到"设计性能"
过去十余年，金属增材制造的发展重点主要集中在提高成形精度、扩大成形尺寸以及降低缺陷率。而如今，研究重点正逐渐转向如何利用增材制造独特的凝固过程，主动构建传统工艺难以获得的微观组织，从而实现更优异的综合力学性能。论文指出，与传统铸造或锻造相比，增材制造过程中极高的冷却速度、复杂热循环以及逐层沉积方式，使材料内部形成了丰富的异质微观结构（heterogeneous microstructures），包括细胞组织、层状组织、亚晶结构、位错网络及多尺度晶粒等。这些特殊组织不仅改变了材料的变形方式，也赋予了材料一系列传统制造方法难以实现的力学特性。、、
△增材制造316L不锈钢和TiCu合金的层次微观结构及拉伸性能。
破解"强度与塑性不可兼得"难题
材料科学长期存在一个经典难题——材料越强，往往越脆；塑性越好，强度又会下降。而近年来，多项研究表明，增材制造正在打破这一传统认知。论文重点总结了增材制造金属在**强度—延展性协同（Strength–Ductility
Synergy）**方面取得的重要突破。研究人员发现，通过合理调控打印过程中形成的异质组织，可以在材料内部建立多尺度强化机制，使材料在保持高强度的同时，依然具备优异塑性。
例如LPBF制备的316L不锈钢、钛合金、高熵合金等材料，都已经实现了传统加工方式难以达到的强韧匹配水平。近年来发表于《Nature》《Science》等国际顶级期刊的一系列成果，也验证了这一研究方向的巨大潜力。
微应力、梯度塑性：重新认识3D打印材料
除了传统力学性能评价，论文还介绍了近年来快速发展的两个研究热点——微应力（Microstresses）和梯度塑性（Gradient Plasticity）。由于增材制造具有逐层熔化、快速凝固的特点，材料内部不可避免地产生复杂残余应力和局部应变梯度。过去，这些应力通常被视为需要消除的"缺陷"；但最新研究表明，合理调控这些微应力，反而可以促进位错协调运动，提高材料的加工硬化能力，从而进一步提升综合力学性能。这种认识的转变，也意味着未来增材制造不再只是"减少缺陷"，而是开始主动利用微观组织和应力场，实现材料性能设计。
△增材制造金属中的微应力表征与建模。
从疲劳到蠕变：迈向高可靠性应用
对于航空航天、能源装备等高端制造领域而言，材料不仅要"强"，更要"耐久"。因此，论文专门总结了近年来增材制造金属在断裂韧性、疲劳性能以及高温蠕变性能方面取得的重要进展。例如，通过降低孔隙率、优化组织结构以及创新后处理工艺，近年来研究人员已经显著提高了LPBF钛合金、铝合金等材料的疲劳寿命；而针对镍基高温合金、Al-Ce合金等材料，高温蠕变性能也获得了明显改善，使增材制造进一步向航空发动机、燃气轮机等极端服役环境迈进。
△增材制造金属的断裂和疲劳行为
下一阶段：加工控制、合金设计与AI协同创新
论文指出增材制造金属独特非平衡异质组织带来优异力学性能，但工艺参数繁杂、缺陷难控、高温组织热稳定性不足、性能离散等问题亟待解决，提出几大重点研究方向：
首先是加工过程精准控制。通过激光能量调控、扫描策略优化、光束整形以及外场辅助等手段，配套定制化热处理、热等静压消除缺陷，实现组织和缺陷的主动调控。
其次是面向增材制造的合金设计（Alloys-by-Design）。增材特有的胞状组织在 600–1100℃会逐步溶解、再结晶，高温性能衰减。未来材料不再简单沿用传统铸造合金，而是针对快速凝固和层层堆积特点开发专用合金体系，例如稳定亚稳态纳米异质组织的合金与工艺，从源头提升性能。
此外，论文还特别强调了先进表征技术（高速同步辐射原位成像）、计算模拟以及机器学习的重要作用。借助高通量实验、数字孪生、多尺度模拟和人工智能算法，未来有望实现"工艺—组织—性能"关系的快速预测，加速高性能增材制造材料研发。
点评：材料设计正成为增材制造的新竞争力
过去，人们谈论3D打印时，更多关注设备性能、打印速度和成形精度；如今，行业竞争正逐渐延伸到材料科学本身。这篇发表于《Nature Materials》的综述释放出一个重要信号：增材制造的优势，已经不仅是制造复杂结构，更在于能够创造传统工艺无法获得的新型微观组织和力学性能。随着专用合金开发、先进工艺控制以及人工智能等新技术不断融入，未来的金属3D打印有望真正实现"按需设计材料性能"，让材料、结构和制造工艺深度融合。这也意味着，增材制造正在从一种先进加工技术，进一步演变为推动高性能结构材料创新的重要平台，为航空航天、高端装备、能源及生物医疗等领域带来更广阔的发展空间。
来源：南极熊
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