图片来源：麻省大学阿默斯特分校

研究人员成功地3D打印了一种双相，纳米结构的高熵合金，其强度和延展性超过了其他最先进的增材制造材料的强度和延展性。

组件可以具有航空航天，医疗，能源和汽车应用。

一组科学家已经3D打印了一种双相，纳米结构的高熵合金，其强度和延展性超过了其他最先进的增材制造材料的强度和延展性。这一突破可以为航空航天、医学、能源和运输领域的应用带来更高性能的组件。这项工作由马萨诸塞大学阿默斯特分校和佐治亚理工学院的研究人员完成。它由麻省大学机械和工业工程助理教授Wen Chen和佐治亚理工学院机械工程教授Ting Zhu领导，将于今天（2022年8月3日）在《自然》杂志上发表。

在过去的15年中，高熵合金（HEA）作为材料科学的新范式越来越受欢迎。它们由五种或更多元素组成，比例几乎相等，并且能够为合金设计创建近乎无限数量的独特组合。传统的合金，如黄铜，不锈钢，碳钢和青铜，含有一种或多种微量元素组合的主要元素。

UMass Amherst机械和工业工程助理教授Wen Chen站在3D打印高熵合金组件（散热器风扇和八分格，左）的图像和横截面电子反向散射衍射反极图图（右）的前面。图片来源：麻省大学阿默斯特分校

3D打印，也称为增材制造，最近已成为材料开发的强大方法。基于激光的3D打印可以产生大的温度梯度和高冷却速率，这是传统路线不容易获得的。然而，“利用增材制造和高熵的综合效益来实现新特性的潜力在很大程度上仍未得到探索，”朱说。

麻省大学阿默斯特分校博士生Jie Ren拿着一个微型散热器风扇，这是Wen Chen实验室制造的3D打印高熵合金部件之一。微观结构的原子重排产生了超高强度以及增强的延展性，麻省大学阿默斯特分校和佐治亚理工学院的研究表明。图片来源：麻省大学阿默斯特分校

Chen及其在麻省大学多尺度材料和制造实验室的团队将HEA与最先进的3D打印技术（称为激光粉末床融合）相结合，以开发具有前所未有的性能的新材料。由于与传统冶金学相比，该过程导致材料熔化和凝固得非常快，因此在所创造的组件上“你会得到一个非常不同的微观结构，远非平衡”，Chen说。这种微观结构看起来像一个网，由称为面心立方体（FCC）和体中心立方体（BCC）纳米层状结构的交替层组成，嵌入在具有随机取向的微尺度共晶菌落中。分层纳米结构HEA使两相的合作变形成为可能。

“这种不寻常的微观结构的原子重排产生了超高强度以及增强的延展性，这并不常见，因为通常坚固的材料往往是脆性的，”Chen说。与传统的金属铸造相比，“我们的强度几乎是原来的三倍，不仅没有失去延展性，而且实际上同时增加了延展性，”他说。“对于许多应用，强度和延展性的结合是关键。我们的发现对于材料科学和工程来说都是原创的，令人兴奋。

“生产坚固和延展性HEA的能力意味着这些3D打印材料在抵抗施加的变形方面更加坚固，这对于提高机械效率和节能的轻质结构设计非常重要，”Chen的博士生，该论文的第一作者Jee Ren说。

佐治亚理工学院的Zhu小组领导了这项研究的计算建模。他开发了双相晶体塑性计算模型，以了解FCC和BCC纳米薄片所起的机理作用，以及它们如何协同工作以增加材料的强度和延展性。

“我们的仿真结果表明，BCC纳米薄片具有令人惊讶的高强度和高硬化响应，这对于实现我们合金出色的强度 - 延展性协同作用至关重要。这种机械理解为指导具有卓越机械性能的3D打印HEA的未来发展提供了重要基础，“Zhu说。

此外，3D打印提供了一个强大的工具来制造几何复杂的定制零件。未来，利用3D打印技术和HEA的庞大合金设计空间为直接生产用于生物医学和航空航天应用的最终用途部件提供了充足的机会。