东莞理工借助中子衍射实时捕捉微观演化,推动金属3D打印原位观测迈出关键一步

根据东莞理工学院的官方报道，近日，该学院3D打印与智能制造研究中心金属增材制造团队在中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪上，成功开展了电弧熔丝增材制造原位打印试验，破解了传统监测技术无法在3D打印过程中实时捕捉材料内部动态变化的行业难题。

据悉，此次试验主要由东莞理工学院张丽娟教授团队承担，是国内首次将电弧熔丝增材制造技术与中子散射表征平台结合的试验，标志着我国在金属3D打印原位观测与机理研究领域迈出关键一步。

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本次试验为广东省重大应用基础研究项目“高性能金属增材制造材料与工艺的应用基础研究”的课题三“超常凝固及固态相变行为与显微组织形成机理研究”的核心内容。

电弧熔丝增材制造技术因高效率、低成本、适用于大尺寸复杂构件制造等优势，在高端装备领域具有广阔应用前景。而在逐点逐层的增材制造过程中，材料经历快速加热和冷却，多次反复热循环，其微观组织和应力状态会发生很多变化。但在常规检测和表征实验中，只能看到变化的最终结果，无法了解具体变化过程，制约了工艺优化与性能提升。

该课题聚焦高强钢和铝合金等重要工程合金的电弧熔丝增材制造设备、材料和工艺研究，对材料成形过程中的组织形成和演变、应力状态、性能的影响规律进行深入系统的研究。项目成果对大尺寸、高性能复杂构件的精准制造，解决核心技术瓶颈问题提供全新解决方案，并为增材制造超常凝固机理研究提供有力的实验验证。

经过两年多的努力，3D打印与智能制造研究中心首席科学家张丽娟教授带领团队，攻克了原位打印与中子探测协同、极端环境下工艺稳定控制等多项设备和技术难题，并获得了散裂中子源工程材料谱仪团队的大力支持。双方在专用打印设备研制、试验方案设计、设备参数调试、中子探测数据校准等关键环节深入协作，成功将增材制造设备与工程材料谱仪精准适配，构建了全球领先的增材制造原位研究平台，为试验奠定重要基础。

在试验中，张丽娟教授团队借助散裂中子源强大的穿透能力和高分辨率探测优势，创新性地实现了电弧熔丝增材制造过程中材料微观结构演化的实时、动态观测。这种“制造-表征”一体化的研究模式，打破了传统增材制造研究中“打印后检测”的局限，为精准揭示工艺-结构-性能关联机制提供了直接的实验依据。

此次突破性试验，是粤港澳大湾区重大科技基础设施与高校创新团队高效协同创新的生动实践，既彰显了东莞理工学院在增材制造领域的科研实力，也体现了跨机构合作在前沿科技攻关中的重要价值。试验成果将为大尺寸、高性能复杂构件的精准制造提供核心技术支撑，同时为我国增材制造技术从“经验优化”向“科学设计”转型奠定重要基础。未来，张丽娟教授团队将继续深化与散裂中子源工程材料谱仪的合作，拓展原位表征在多材料增材制造、极端环境适配等方向的应用，持续引领增材制造技术创新发展。

东莞理工学院3D打印与智能制造研究中心创建于2016年，张丽娟教授担任首席科学家。目前已经建立了一支理论基础雄厚、实操能力强大、科研作风严谨的增材制造研究团队，成员来自学院科技创新研究院、机械工程学院、材料科学与工程学院、卓越工程师学院（创新创业学院）等。

2020年底，团队与东莞材料基因高等理工研究院、北京航空航天大学、香港大学联合申报广东省基础与应用基础项目“高性能金属增材制造材料与工艺的应用基础研究”，张丽娟教授代表东莞理工学院团队担任课题三“超常凝固及固态相变行为与显微组织形成机理研究”的负责人。

五年来，项目团队发表SCI论文21篇，申报发明专利17件，培养博士后、博士和硕士研究生19名。开发增材制造设备4台（套），开发和集成在线监测、在线检测附属装置4套。其中包括本次用于散裂中子源工程材料谱仪的原位打印过程研究的设备，其设计、制造、安装均由课题组主导完成。