首个3D打印高性能纳米结构合金，具有超强韧性和延展性

2022年8月6日，南极熊获悉，一组科学家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。这一突破可能会为航空航天、医学、能源和运输领域的应用带来更高性能的组件。

△研究人员成功地3D打印了一种双相纳米结构的高熵合金

这项工作由马萨诸塞大学阿默斯特分校，和乔治亚理工学院的研究人员完成。它由麻省大学机械与工业工程助理教授陈文，和佐治亚理工学院机械工程教授朱婷领导。

在过去的 15 年中，高熵合金 (HEA) ，作为一种新的材料科学范式变得越来越流行。它们由几乎相等比例的五种或更多元素组成，并提供了为合金设计，创建近乎无限数量的独特组合能力。传统合金，如黄铜、不锈钢、碳钢和青铜，含有一种主要元素和一种或多种微量元素。

△麻省大学阿默斯特分校机械与工业工程助理教授陈文，站在3D打印的高熵合金组件（散热器风扇和八角晶格的图像（左），和展示随机取向的，纳诺拉梅拉微观结构截面电子反向，散射衍射反极图像前（右）

3D打印，也被称为增材制造，最近已经成为一种强大的材料开发方法。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，这是传统途径所不能达到的。然而，朱婷说："这种利用增材制造，和HEA的综合优势来实现新特性的潜力，在很大程度上仍未得到完全开发。"

陈教授和他在麻省大学（UMass）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，激光粉末床熔融技术结合起来，开发出具有前所未有的特性的新材料。陈说，因为与传统的冶金学相比，这种工艺可以使材料非常迅速地熔化和凝固，"你会得到一个非常不同的微观结构，这个结构远离平衡"，所创建的组件。这种微观结构看起来像一张网，它被称为由面心立方（FCC）和体心立方（BCC）的纳米交替层结构组成，嵌入到具有随机方向的微观共晶群。分层的纳米结构HEA，能够使两相共同变形。

△麻省大学的学生杰仁，拿着一个微型散热风扇，这是由文晨实验室制造的3D打印高熵合金组件之一，马萨诸塞大学（UMass Amherst）和乔治亚理工大学（Georgia Tech）的研究表明，微观结构的原子重排，产生了超高强度和增强的延展性

陈说：“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，这是不常见的，因为通常坚固的材料往往很脆，”与传统的金属铸造相比，“我们的强度几乎提高了三倍以上，而且不仅没有失去延展性，实际上还提高了延展性，”他说。“对于许多应用来说，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，都是令人震惊和兴奋的。”

学生和论文的第一作者，陈杰博士：“未来，拥有能够生产强韧和延展性HEA的能力，意味着这些3D打印材料，在抵抗应用变形方面更加稳健，这对于提高机械效率和节能的轻质结构设计非常重要。”

△该研究已发表在《自然》杂志上，题目为《增材制造的强韧纳米片状高熵合金》（点我传送门）

佐治亚理工学院的朱的团队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纳米薄片所起的机械作用，以及它们如何协同工作以增加材料的强度和延展性。

朱说：“我们的模拟结果显示了，BCC纳米薄片中令人惊讶的高强度和高硬化响应，这对于我们的合金可以实现出色的强度，以及延展性至关重要。这种具有卓越机械性能的3D打印，为HEA的未来发展提供了重要基础。”

此外，3D 打印技术还是一种强大的生产工具，它可以用于制作几何复杂和定制的零件。未来，利用该技术特有优势和HEA的巨大合金设计空间，为直接生产用于生物医学和航空航天应用的最终用途组件，提供了充足的机会。