首款3D打印納米結構高熵合金問世

美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校和佐治亞理工大學科學家在最新一期《自然》雜誌在線版發表論文稱,他們採用3D打印方法,製作出一種雙相納米結構高熵合金(HEA),其強度和延展性優於現有其他先進的3D打印材料,有望催生可用於航空航天、醫學、能源和運輸等領域的高性能部件。

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過去15年,HEA越來越受歡迎。HEA是由5種或5種以上等量或大約等量的金屬製成的合金,具有許多理想的性質,因此在材料科學及工程領域備受重視。3D打印技術目前已用於材料開發領域,基於激光的3D打印可以產生大的溫度梯度和高冷卻速率,而傳統方法很難做到這一點。

此次,研究人員將HEA與先進的3D打印技術——激光粉末床熔融結合,開發出具有前所未有性能的新材料。由於該工藝使材料熔化和凝固速度非常快,所得到材料的微觀結構與傳統方法製造出的材料大相徑庭。新材料的微觀結構看起來像一種網狀結構,由名為面心立方(FCC)和體心立方(BCC)的納米層狀結構交替組成,這些層被嵌入微尺度共晶團中,分級納米結構HEA使兩相能夠協同變形。

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研究人員表示,這種不尋常微觀結構的原子重排使其擁有超高強度和更高的延展性,與傳統金屬鑄件相比,新材料的強度提升了3倍,延展性不減反增。使HEA擁有更強韌性和更好延展性有助於研製出機械效率高且節能的輕質結構。

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研究團隊還開發出了雙相晶體塑性計算模型,以了解FCC和BCC納米片層所起的作用,以及它們如何協同工作以增加材料的強度和延展性。結果顯示,BCC納米片層具有極堅固的特性,這對於實現合金卓越的強度—延展性協同作用至關重要。未來,科學家們有望利用3D打印技術和HEA研製出可廣泛應用於生物醫學、航空航天等領域的高性能部件。