用散裂中子源實時動態(tài)監(jiān)測電弧熔絲金屬3D打印微觀結(jié)構(gòu)演化，東莞理工學(xué)院研究團隊

2026年1月，南極熊獲悉，東莞理工學(xué)院3D打印與智能制造研究中心金屬增材制造團隊在投資了近億元的中國散裂中子源工程材料中子衍射譜儀上，成功開展了電弧熔絲增材制造原位打印試驗，破解了傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)無法在3D打印過程中實時捕捉材料內(nèi)部動態(tài)變化的行業(yè)難題。

此次試驗主要由東莞理工學(xué)院張麗娟教授團隊承擔(dān)，是國內(nèi)首次將電弧熔絲增材制造技術(shù)與中子散射表征平臺結(jié)合的試驗，標(biāo)志著我國在金屬3D打印原位觀測與機理研究領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。

本次試驗為廣東省重大應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目“高性能金屬增材制造材料與工藝的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”的課題三“超常凝固及固態(tài)相變行為與顯微組織形成機理研究”的核心內(nèi)容。

電弧熔絲增材制造技術(shù)因高效率、低成本、適用于大尺寸復(fù)雜構(gòu)件制造等優(yōu)勢，在高端裝備領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。而在逐點逐層的增材制造過程中，材料經(jīng)歷快速加熱和冷卻，多次反復(fù)熱循環(huán)，其微觀組織和應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生很多變化。但在常規(guī)檢測和表征實驗中，只能看到變化的最終結(jié)果，無法了解具體變化過程，制約了工藝優(yōu)化與性能提升。

該課題聚焦高強鋼和鋁合金等重要工程合金的電弧熔絲增材制造設(shè)備、材料和工藝研究，對材料成形過程中的組織形成和演變、應(yīng)力狀態(tài)、性能的影響規(guī)律進行深入系統(tǒng)的研究。項目成果對大尺寸、高性能復(fù)雜構(gòu)件的精準制造，解決核心技術(shù)瓶頸問題提供全新解決方案，并為增材制造超常凝固機理研究提供有力的實驗驗證。

經(jīng)過兩年多的努力，3D打印與智能制造研究中心首席科學(xué)家張麗娟教授帶領(lǐng)團隊，攻克了原位打印與中子探測協(xié)同、極端環(huán)境下工藝穩(wěn)定控制等多項設(shè)備和技術(shù)難題，并獲得了散裂中子源工程材料譜儀團隊的大力支持。雙方在專用打印設(shè)備研制、試驗方案設(shè)計、設(shè)備參數(shù)調(diào)試、中子探測數(shù)據(jù)校準等關(guān)鍵環(huán)節(jié)深入?yún)f(xié)作，成功將增材制造設(shè)備與工程材料譜儀精準適配，構(gòu)建了全球領(lǐng)先的增材制造原位研究平臺，為試驗奠定重要基礎(chǔ)。

在試驗中，張麗娟教授團隊借助散裂中子源強大的穿透能力和高分辨率探測優(yōu)勢，創(chuàng)新性地實現(xiàn)了電弧熔絲增材制造過程中材料微觀結(jié)構(gòu)演化的實時、動態(tài)觀測。這種“制造-表征”一體化的研究模式，打破了傳統(tǒng)增材制造研究中“打印后檢測”的局限，為精準揭示工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)聯(lián)機制提供了直接的實驗依據(jù)。

此次突破性試驗，是粵港澳大灣區(qū)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施與高校創(chuàng)新團隊高效協(xié)同創(chuàng)新的生動實踐，既彰顯了東莞理工學(xué)院在增材制造領(lǐng)域的科研實力，也體現(xiàn)了跨機構(gòu)合作在前沿科技攻關(guān)中的重要價值。試驗成果將為大尺寸、高性能復(fù)雜構(gòu)件的精準制造提供核心技術(shù)支撐，同時為我國增材制造技術(shù)從“經(jīng)驗優(yōu)化”向“科學(xué)設(shè)計”轉(zhuǎn)型奠定重要基礎(chǔ)。未來，張麗娟教授團隊將繼續(xù)深化與散裂中子源工程材料譜儀的合作，拓展原位表征在多材料增材制造、極端環(huán)境適配等方向的應(yīng)用，持續(xù)引領(lǐng)增材制造技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

東莞理工學(xué)院3D打印與智能制造研究中心創(chuàng)建于2016年，張麗娟教授擔(dān)任首席科學(xué)家。目前已經(jīng)建立了一支理論基礎(chǔ)雄厚、實操能力強大、科研作風(fēng)嚴謹?shù)脑霾闹圃煅芯繄F隊，成員來自東莞理工學(xué)院科技創(chuàng)新研究院、機械工程學(xué)院、材料科學(xué)與工程學(xué)院、卓越工程師學(xué)院（創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院）等。

2020年底，團隊與東莞材料基因高等理工研究院、北京航空航天大學(xué)、香港大學(xué)聯(lián)合申報廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)項目“高性能金屬增材制造材料與工藝的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”，張麗娟教授代表東莞理工學(xué)院團隊擔(dān)任課題三“超常凝固及固態(tài)相變行為與顯微組織形成機理研究”的負責(zé)人。

五年來，項目團隊發(fā)表SCI論文21篇，申報發(fā)明專利17件，培養(yǎng)博士后、博士和碩士研究生19名。開發(fā)增材制造設(shè)備4臺（套），開發(fā)和集成在線監(jiān)測、在線檢測附屬裝置4套。其中包括本次用于散裂中子源工程材料譜儀的原位打印過程研究的設(shè)備，其設(shè)計、制造、安裝均由課題組主導(dǎo)完成。

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