一個科學家團隊已經3D打印了一種雙相納米結構的高熵合金，其強度和延展性超過了其他最先進的增材製造材料。這一突破可以為航空航天、醫藥、能源和交通領域的應用帶來更高性能的部件。這項工作是由馬薩諸塞大學阿默斯特分校和佐治亞理工學院的研究人員完成的。它由馬薩諸塞大學阿默斯特分校機械和工業工程副教授陳文和佐治亞理工學院機械工程教授朱挺領導，於8月3日發表在《自然》雜誌上。
在過去的15年裡，高熵合金（HEAs）作為材料科學的一種新範式已經越來越受歡迎。它們由五種或更多的元素以近乎相等的比例組成，為合金設計提供了創造近乎無限的獨特組合的能力。傳統的合金，如黃銅、不鏽鋼、碳鋼和青銅，包含一種主要元素與一種或多種微量元素的組合。
3D打印，也被稱為增材製造，最近作為一種強大的材料開發方法而出現。基於激光的3D打印可以產生大的溫度梯度和高的冷卻速率，這是傳統途徑所不能達到的。然而，“利用增材製造和HEA的綜合優勢來實現新特性的潛力在很大程度上仍未被開發，”朱挺說。
陳文和他在UMass多尺度材料和製造實驗室的團隊將HEA與最先進的3D打印技術–激光粉末床熔融技術結合起來，開發出具有前所未有的特性的新材料。陳文說，因為與傳統的冶金工藝相比，該工藝使材料非常迅速地熔化和凝固，“你會得到一個非常不同的微觀結構，該結構遠離平衡”。這種微觀結構看起來像一張網，由被稱為面心立方晶格（FCC）和體心立方晶格（BCC）的納米恆星結構的交替層組成，嵌入到具有隨機方向的微觀共晶群。層次分明的納米結構HEA使兩相的合作變形成為可能。
陳文說：“這種不尋常的微觀結構的原子重排產生了超高的強度以及增強的延展性，這是不常見的，因為通常強大的材料往往是脆性的。與傳統的金屬鑄造相比，我們得到了幾乎三倍的強度，不僅沒有失去延展性，而且實際上同時增加了延展性。對於許多應用來說，強度和延展性的結合是關鍵。我們的發現對材料科學和工程都是原創性的，令人振奮。”
“生產高強度和延展性的HEA的能力意味着這些3D打印材料在抵抗應用變形方面更加堅固，這對於提高機械效率和節能的輕質結構設計非常重要，”論文的第一作者任傑說。
佐治亞理工學院的朱挺小組領導了這項研究的計算模型。他們開發了雙相晶體塑性計算模型，以了解FCC和BCC納米顆粒所發揮的機械作用，以及它們如何共同作用，使材料增加強度和延展性。
“我們的模擬結果顯示，BCC納米顆粒的強度和硬化反應令人驚訝，這對於實現我們合金出色的強度和延展性協同作用非常關鍵。”朱挺說：“這種機理上的理解為指導未來開發具有特殊機械性能的3D打印HEA提供了一個重要的基礎。”
此外，3D打印提供了一個強大的工具來製造幾何上複雜和定製的零件。在未來，利用3D打印技術和HEA的巨大合金設計空間，為直接生產生物醫學和航空航天應用的終端部件提供了大量的機會。