首个3D打印纳米结构高熵合金问世

通过先进的3D打印制造的高熵合金在多个尺度上具有分级结构，表现出更高的强度和良好的延展性。

图片来源：佐治亚理工学院官网

来自马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校和佐治亚理工大学的科学家在最新一期《自然》杂志网络版上发表论文说，他们利用3D打印方法制造出一种两相纳米结构高熵合金(HEA)，其强度和延展性优于其他现有的先进3D打印材料，有望诞生可用于航空航天、医学、能源和交通运输等领域的高性能部件。

在过去的15年里，HEA变得越来越受欢迎。HEA是由五种或五种以上相同或近似相同的金属组成的合金，具有许多理想的性能，因此在材料科学与工程领域备受关注。目前，3D打印技术已经应用于材料开发领域。基于激光的3D打印可以产生大的温度梯度和高的冷却速率，这是传统方法难以做到的。

这一次，研究人员将HEA与先进的3D打印技术——激光粉末床融合，开发出性能前所未有的新材料。由于这种工艺使材料熔化和凝固的速度非常快，因此所得材料的微观结构与传统方法制造的材料有很大不同。这种新材料的微观结构看起来像一种网络结构，由交替的纳米层状结构组成，称为面心立方(FCC)和体心立方(BCC)。这些层嵌在微米级共晶团中，梯度纳米结构HEA使两相能够协同变形。

据研究人员介绍，这种不同寻常的微观结构的原子重排使其具有超高的强度和更高的延展性。与传统金属铸件相比，新材料的强度提高了3倍，但延展性不减反增。使HEA具有更强的韧性和更好的延展性，有助于开发出机械效率高、节能的轻质结构。

研究小组还开发了一个两相晶体塑性计算模型，以了解FCC和BCC纳米片所起的作用，以及它们如何共同作用来增加材料的强度和延展性。结果表明，BCC纳米片具有非常强的性能，这对于实现合金优异的强塑性协同效应非常重要。未来，科学家有望利用3D打印技术和HEA开发出可广泛应用于生物医学、航空航天等领域的高性能组件。