重新定义冶金学！加州理工学院通过3D打印设计合金成分，将铜镍合金强度提升四倍

2025年8月3日，南极熊获悉，来自加州理工学院的科学家们开发了一种新方法，可以制造形状和成分均精确可控的金属物体，从而对合金及其性能进行前所未有的控制。这项进展有望用于生产“生物相容性强且机械强度高”的支架，或“坚固轻便”的卫星部件，以满足在太空中的长期使用需求。3D打印技术能够确定最佳的金属组合，以实现预期效果，甚至可以制造出强度超乎寻常的铜镍合金。

相关研究成果以题为“Multiscale Microstructural andMechanical Characterization of Cu–Ni Binary Alloys Reduced During HydrogelInfusion-Based Additive Manufacturing (HIAM)/基于水凝胶灌注的增材制造（HIAM）过程中Cu-Ni二元合金的多尺度微观结构和机械特性”的论文发表在《Small》杂志上。研究得到了美国能源部和国家科学基金会的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202501320

加州理工学院材料科学、力学和医学工程系Ruben F.和Donna Mettler教授兼应用物理和材料科学执行官Julia R. Greer说道：“回顾几个世纪以来冶金学的发展历程，大致来说，几乎总是从原矿开始，然后经过热处理和/或化学处理和精炼，才能生产出所需的金属或合金。而基本上，这种方式生产的金属的机械性能是有限的。我们此次所展示的是，你实际上可以微调金属材料的化学成分和微观结构，从而显著提高它们的机械弹性。”

△加州理工学院 Ruben F. 和 Donna Mettler 材料科学、力学和医学工程教授兼应用物理和材料科学执行官 Julia Greer。图片来源：EAS 通讯办公室/加州理工学院

这种方法由 Thomas T. Tran（2025 年博士）开发，Rebecca Gallivan（2023 年博士）为第二作者，基于 Greer 实验室早期使用水凝胶灌注增材制造 (HIAM)技术。此前，HIAM 只能打印一种金属。Tran 对其进行了扩展，能够打印成分各异的铜镍合金，而这些成分会显著影响最终材料的性质。

△使用水凝胶灌注增材制造技术（HIAM）制造铜镍合金的工艺路线。图片来源：Thomas Tran/加州理工学院。

HIAM工艺首先通过3D打印逐层打印水凝胶支架。支架浸泡在金属盐溶液中。经过煅烧（烧去有机物）后，金属氧化物残留，之后进行还原退火：在富氢环境中加热，去除氧气，留下金属合金。

△HIAM 的最后一步是去除氧气，留下一种基本致密的铜镍合金，并形成所需的 3D 打印结构。这里选择了蜂窝结构。图片来源：Thomas Tran/加州理工学院

Greer说道：“成分可以按照你喜欢的方式改变，这在传统的冶金工艺中是无法实现的。我们的一位同事称这项工作将冶金学带入了21世纪。”

Gallivan则表示：“这为以不同于其他微尺度增材制造技术的独特方式思考3D打印合金设计奠定了基础。我们发现，与其他方法相比，加工环境会导致截然不同的微观结构。”

Tran 解释说，加州理工学院的研究人员利用加州大学欧文分校材料研究所的透射电子显微镜 (TEM) 证明，使用 HIAM 方法生产的合金形态更加均匀，从而提高了整个晶体结构的对称性。金属晶粒的形状、大小和取向受还原退火过程中氧化物与金属之间转变的影响。在高温下，水蒸气逸出时会形成孔隙。这些孔隙和氧化物会减缓金属晶粒的生长速度。这项新研究表明，这种生长速度受 3D 打印金属中存在的氧化物类型的影响。

△加州理工学院的科学家们利用HIAM技术制造了他们制备的合金的微小柱状物，并进行了机械测试。图中显示了由三种不同合金制成的柱状物的强度（沿y轴）随柱状物尺寸的变化。柱状物的强度不仅取决于尺寸，还取决于HIAM技术产生的纳米级缺陷的数量，而这些缺陷的数量会随着成分的变化而变化。图片来源：Thomas Tran/加州理工学院

因此，新论文表明，HIAM 制备的合金强度不仅取决于金属内部晶粒的大小（正如之前所认为的那样），还取决于成分。例如，Cu12Ni88 合金中每 88 个镍原子对应 12 个铜原子，强度几乎是Cu59Ni41 合金（铜和镍的比例为 59/41）的四倍。

TEM 研究还表明，HIAM 工艺会在这些合金中留下微小的氧化物夹杂物，这有助于材料获得卓越的强度。Tran 说道：“由于金属在此过程中形成的方式非常复杂，我们发现纳米级结构富含金属-氧化物界面，这有助于将合金的硬度提高多达四倍。”