通过激光3D打印制造坚固且不易断裂的高熵合金（HEA）

2023年12月19日，南极熊获悉，研究人员成功地将多种金属元素结合，创造了一种新型的耐用高熵合金（HEA），这种材料在严酷的环境中，如高磨损、极端温度、强烈辐射和高应力场合，展现出巨大的应用潜力。

△通过3D打印制造的高熵合金（左）中发现的两种晶体结构（右）

技术研发背景

虽然传统的3D打印技术可以用于生产HEA，但通常这种方法会导致材料的延展性较差，使得3D打印的HEA难以成型，并且在承受负载时易发生变形或伸展，以及容易断裂。现在，科学家们已经利用基于激光的3D打印技术开发出更坚固、更具延展性的HEA，并通过中子和X射线散射以及电子显微镜技术，更深入地了解了这些性能改进的机制。

这一进步将惠及消费者和工业，例如，有望生产出更安全、更节能的汽车、更强大的产品和更耐用的机械。另外，基于激光的增材制造技术在能源效率方面表现出色，这使得生产新型HEA具有额外的吸引力。

△该研究已发表在自然杂志上，题目为“通过增材制造获得坚固且具有延展性的纳米层状高熵合金”（传送门）

部分性能超过钛合金

技术细节方面，这种新型HEA的特点是能够产生纳米厚度的薄片（薄板层），这些薄片具有极高的强度，而它们独特的边缘设计允许一定程度的滑动，增强了材料的延展性。这些薄片层由平均厚度约150纳米的面心立方（FCC）晶体结构和平均厚度约65纳米的体心立方（BCC）晶体结构的交替层组成。

新型HEA展现出约1.3千兆帕的高屈服强度，超过了当前最强的3D打印钛合金。同时，这些HEA还具有约14%的延伸率，这一比例在相同屈服强度的金属合金中是较高的。延伸率是衡量材料在弯曲过程中不断裂能力的重要指标。

△曲线上标有屈服强度（σ0.2）和极限抗拉强度（σu）

该团队采用橡树岭国家实验室（ORNL）的散裂中子源设备，对HEA样品在应力下的内部机械负载分布进行了详细的观察。同时，他们还在纳米相材料科学中心（也是ORNL的设施）使用原子探针仪器，捕捉到了成分的详细三维图像，以及由交替的纳米片层组成的微观结构。此外，在高级光子源（阿贡国家实验室的另一个美国能源部设施）中使用X射线衍射研究了不同退火样品的相。

这一技术的影响不容小觑。在未来，工业界可能会广泛采用这种更坚固、更易成型的HEA，特别是在需要轻型、复杂结构的高耐用性、高可靠性和强抗断裂性的零部件制造中。