同步辐射X射线下的微观战场
2026年5月，由IMDEA材料研究所与马德里卡洛斯三世大学领衔的国际研究团队，在欧洲同步辐射光源（ESRF）上完成了一项前所未有实验：利用纳秒级分辨率的X射线相衬成像技术，实时追踪了3D打印金属在极端动态载荷下微孔洞的演变过程。这一成果发表在《固体力学与物理学报》上，为航空航天和国防领域关键部件安全性评估提供了重要的理论基础。
研究团队选择了增材制造领域最常见的两种合金——AlSi10Mg铝合金和Ti-6Al-4V钛合金，通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺制备样品，然后在平板冲击实验中让样品承受最高750米/秒的撞击速度。在ESRF的超快X射线照射下，研究团队首次捕捉到了3D打印金属内部微孔洞从被冲击波压垮到重新张开并扩展的全过程。
孔洞的生死循环：压缩、反弹与裂纹扩展
实验揭示了一个此前未被充分理解的微观力学过程。当冲击波穿透3D打印金属时，首先发生的是微孔洞被压缩和塌缩——这听起来似乎是好事，因为孔洞消失了。但在冲击波通过后，材料从压缩状态转为受拉伸状态，塌缩的孔洞会重新张开，并在孔洞周边产生应力集中，最终导致相邻孔洞连接形成宏观裂纹——即所谓的层裂断裂（Spall Fracture）。
通俗地说，3D打印金属中的微小气孔并不会因为冲击而被彻底消除，反而会在动态载荷中经历一个「先死后活」的过程，最终成为裂纹的起源点。这一发现对航空航天发动机叶片、导弹防御系统、高速飞行器结构件等承受极端冲击载荷的金属3D打印部件具有重要意义。
对增材制造零件认证的深远影响
这项研究的价值不仅停留在学术层面，它直接关系到3D打印金属零件在航空航天和国防等关键领域的认证标准。目前，航空适航认证对3D打印零件的内部缺陷有严格的容限标准，但大部分标准基于静态力学性能数据。而实际使用中，很多关键部件会在极端动态载荷下工作——比如发动机叶片遭遇鸟击、装甲板承受弹道冲击、卫星部件在发射阶段的剧烈振动等。
研究团队表示，了解微孔在动态载荷下的行为，将帮助工程师在设计阶段就优化打印参数和部件结构，减少内部孔隙率或控制孔隙的分布形态。未来的认证标准也可能从单纯的静态强度指标，扩展到综合考虑动态载荷下的孔隙容限，而这正是IMDEA这项研究提供的核心科学依据。对于航空航天制造商来说，这意味着3D打印零件不仅可以用于非关键结构件，在关键承力件上的应用前景也将更加清晰。
文章来源：Journal of the Mechanics and Physics of Solids、PowerSight、3Druck.com