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前沿摘要

在极端低温环境下，金属材料往往面临强度与韧性难以兼得的困境。尤其是在航空航天、能源存储、深空探测等领域，材料在液氮温度（约 -196℃）下的力学性能直接关系到设备的安全与可靠。近日，一项来自华东理工大学、德国马克斯·普朗克研究所、新加坡ASTAR研究院等国际团队的合作研究，在《Nature Communications》上发表了突破性成果(https://doi.org/10.1038/s41467-025-67279-2)，成功通过“原位纳米再析出”技术，显著提升了3D打印中熵合金在低温下的综合力学性能。

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核心突破

传统3D打印中，高熔点的陶瓷颗粒很难均匀融入金属，容易形成粗大、不均匀的脆性相，导致低温下材料易裂。研究团队巧思设计：

“核-壳”复合粉末：在CoCrNi中熵合金粉末表面均匀包覆一层纳米碳化钛（TiC）颗粒，如同为粉末穿上“纳米铠甲”。

激光中的“溶解-析出”循环：在激光3D打印过程中，TiC纳米层先完全溶解于高温熔池，随后在后续打印层的热循环中重新析出，形成数十纳米大小、与基体原子级匹配的共格析出相。

尺寸是关键：研究发现TiC颗粒必须小于约3.2微米才能完全溶解；过大则残留为有害粗颗粒。

这一过程好比“先融化再结晶”，让高强度的陶瓷相以纳米尺度均匀“长”在金属内部，既强化又增韧。

性能跃升：数据见证“既强又韧”

在87K（186℃） 的极端低温下：

屈服强度达1.2 GPa，抗拉强度1.7 GPa

断裂延伸率高达36.7%，远超同类打印材料

强塑积（强度×延伸率） 突破60.8 GPa·%，比已知所有3D打印金属高出至少54%

这意味着该材料在极寒环境下既能扛巨大载荷，又能吸收高能量而不突然断裂，安全余量大幅提升。

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研究意义

1.为极端环境装备提供材料解决方案：这项技术可直接用于液氢/液氧储罐、航天发动机部件、超导支承结构等，实现轻量化、一体化制造。

2.开辟3D打印第二相调控新路径：首次在打印过程中实现高熔点陶瓷相的“完全溶解-可控再析出”，解决长期工艺难题。

3.具备强推广性：该方法适用于多种面心立方金属，如不锈钢、多主元合金等，为高性能低温金属的制造打开通用技术窗口。

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结语

这项研究不仅展示了一种创新的材料设计与制造策略，更标志着我国在高性能金属增材制造领域已跻身国际前沿。未来，随着该技术向工程化应用推进，我们有望在更多“极端环境”中见到由中国智造的高性能金属部件，支撑国家重大工程与科技发展。

图1.采用尺寸可控的TiC-CoCrNi复合粉末的增材制造工艺

图2.(a-f)nTiC-CoCrNi与(g-i)μTiC-CoCrNi样品的打印态微观结构

图3.增材制造合金在87K下的低温拉伸性能

图4.nTiC-CoCrNi合金在低温（87K）下分别变形至总拉伸应变为(a-d)4%、(e-h)18%和(i-k)28%时的代表性变形亚结构

图5.AMCoCrNi、nTiC-CoCrNi和μTiC-CoCrNi样品在87K下变形后的断裂及损伤微细观机制

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