康奈爾大學(xué)實現(xiàn)3D打印高熵合金的微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)控

導(dǎo)讀：由于許多參數(shù)直接影響凝固條件，控制基于熔合成形的金屬增材制造 (AM) 部件中的微觀結(jié)構(gòu)仍然是一項重大挑戰(zhàn),。

2025年2月13日，南極熊獲悉，來自康奈爾大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種通過調(diào)整合金成分來控制 3D 打印金屬凝固轉(zhuǎn)變的方法，最終可生產(chǎn)出更堅固,、更可靠的金屬部件。

△Akane Wakai 和 Jennifer Bustillos,。資料來源：康奈爾大學(xué)

研究結(jié)果以題為“Harnessing metastability forgrain size control in multiprincipal element alloys during additivemanufacturing”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上,，為 3D 打印過程中發(fā)生的相變提供了前所未有的視角，并可能改善用于增材制造的材料,。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56616-0

多主元合金 (MPEA),，也稱為高熵合金，由于具有化學(xué)復(fù)雜性和優(yōu)異的性能,，為微觀結(jié)構(gòu)工程設(shè)計提供了廣闊的成分空間,。在此項研究中，研究人員使用 FeMnCoCr 系統(tǒng)作為模型平臺,，探索增材制造 MPEA 中的合金設(shè)計,。

研究論文的資深作者,、康奈爾大學(xué)機械和航空航天工程學(xué)院助理教授,、阿雷夫和馬農(nóng)·拉哈姆學(xué)院研究員 Atieh Moridi 說：“一個主要問題是，我們打印的大多數(shù)材料都形成柱狀結(jié)構(gòu),，這會在某些方向上削弱材料,。我們發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整合金的成分,，我們可以從根本上破壞這些柱狀結(jié)構(gòu),，制造出更均勻的材料�,！�

通過調(diào)整起始材料中錳和鐵的相對含量,，研究團隊擾亂了柱狀晶粒的生長，顯著減小了晶粒尺寸,，并提高了成品金屬的屈服強度,。

Moridi 說道：“微觀結(jié)構(gòu)特征，如晶粒尺寸，是決定材料性能和特性的基石,。材料成分控制著相穩(wěn)定性,，這是我們控制微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵�,！�

這項研究的第一作者 Akane Wakai 表示,，在打印過程中的相變過程中，柱狀晶粒結(jié)構(gòu)在短短幾分之一秒內(nèi)形成并生長,，這就是科學(xué)家之前努力研究這一現(xiàn)象的原因,。Wakai 說：“困難的部分是試圖解決材料從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的這些非常短的時間跨度。最終產(chǎn)品沒有早期狀態(tài)的紋理,，所以這就像試圖從一滴融化的水中找出雪花的樣子一樣,。

研究團隊利用康奈爾高能同步加速器源在打印過程中獲取相關(guān)材料的瞬時數(shù)據(jù)，從而克服了這一障礙,。Moridi 說：“在表現(xiàn)最佳的樣本中,，我們發(fā)現(xiàn)了中間相的證據(jù)，這種中間相可以幫助破壞這些柱狀晶粒并細化晶粒結(jié)構(gòu),�,！�

了解起始合金的材料特性及其產(chǎn)生的相變可以為選擇用于 3D 打印的金屬奠定新的基礎(chǔ)。

Wakai說：“這項研究的成果可以用于實際應(yīng)用,，以創(chuàng)造更可靠的材料,，從而實現(xiàn)更好的性能。不久的將來,，我們將開始看到3D打印的金屬部件,，甚至在汽車或電子產(chǎn)品等消費品中�,！�

合作者包括美國宇航局和匹茲堡大學(xué)的研究人員,。該項研究的資金來自美國能源部、美國國家科學(xué)基金會和美國宇航局,。