通過激光3D打印制造堅固且不易斷裂的高熵合金（HEA）

2023年12月19日，南極熊獲悉，研究人員成功地將多種金屬元素結(jié)合，創(chuàng)造了一種新型的耐用高熵合金（HEA），這種材料在嚴酷的環(huán)境中，如高磨損、極端溫度、強烈輻射和高應(yīng)力場合，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

△通過3D打印制造的高熵合金（左）中發(fā)現(xiàn)的兩種晶體結(jié)構(gòu)（右）

技術(shù)研發(fā)背景

雖然傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)可以用于生產(chǎn)HEA，但通常這種方法會導(dǎo)致材料的延展性較差，使得3D打印的HEA難以成型，并且在承受負載時易發(fā)生變形或伸展，以及容易斷裂。現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)利用基于激光的3D打印技術(shù)開發(fā)出更堅固、更具延展性的HEA，并通過中子和X射線散射以及電子顯微鏡技術(shù)，更深入地了解了這些性能改進的機制。

這一進步將惠及消費者和工業(yè)，例如，有望生產(chǎn)出更安全、更節(jié)能的汽車、更強大的產(chǎn)品和更耐用的機械。另外，基于激光的增材制造技術(shù)在能源效率方面表現(xiàn)出色，這使得生產(chǎn)新型HEA具有額外的吸引力。

△該研究已發(fā)表在自然雜志上，題目為“通過增材制造獲得堅固且具有延展性的納米層狀高熵合金”（傳送門）

部分性能超過鈦合金

技術(shù)細節(jié)方面，這種新型HEA的特點是能夠產(chǎn)生納米厚度的薄片（薄板層），這些薄片具有極高的強度，而它們獨特的邊緣設(shè)計允許一定程度的滑動，增強了材料的延展性。這些薄片層由平均厚度約150納米的面心立方（FCC）晶體結(jié)構(gòu)和平均厚度約65納米的體心立方（BCC）晶體結(jié)構(gòu)的交替層組成。

新型HEA展現(xiàn)出約1.3千兆帕的高屈服強度，超過了當前最強的3D打印鈦合金。同時，這些HEA還具有約14%的延伸率，這一比例在相同屈服強度的金屬合金中是較高的。延伸率是衡量材料在彎曲過程中不斷裂能力的重要指標。

△曲線上標有屈服強度（σ0.2）和極限抗拉強度（σu）

該團隊采用橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的散裂中子源設(shè)備，對HEA樣品在應(yīng)力下的內(nèi)部機械負載分布進行了詳細的觀察。同時，他們還在納米相材料科學(xué)中心（也是ORNL的設(shè)施）使用原子探針儀器，捕捉到了成分的詳細三維圖像，以及由交替的納米片層組成的微觀結(jié)構(gòu)。此外，在高級光子源（阿貢國家實驗室的另一個美國能源部設(shè)施）中使用X射線衍射研究了不同退火樣品的相。

這一技術(shù)的影響不容小覷。在未來，工業(yè)界可能會廣泛采用這種更堅固、更易成型的HEA，特別是在需要輕型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高耐用性、高可靠性和強抗斷裂性的零部件制造中。