首個(gè)3D打印高性能納米結(jié)構(gòu)合金，具有超強(qiáng)韌性和延展性

2022年8月6日，南極熊獲悉，一組科學(xué)家3D打印了一種雙相納米結(jié)構(gòu)的高熵合金，其強(qiáng)度和延展性超過(guò)了其他最先進(jìn)的增材制造材料。這一突破可能會(huì)為航空航天、醫(yī)學(xué)、能源和運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)更高性能的組件。

△研究人員成功地3D打印了一種雙相納米結(jié)構(gòu)的高熵合金

這項(xiàng)工作由馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校，和喬治亞理工學(xué)院的研究人員完成。它由麻省大學(xué)機(jī)械與工業(yè)工程助理教授陳文，和佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程教授朱婷領(lǐng)導(dǎo)。

在過(guò)去的 15 年中，高熵合金 (HEA) ，作為一種新的材料科學(xué)范式變得越來(lái)越流行。它們由幾乎相等比例的五種或更多元素組成，并提供了為合金設(shè)計(jì)，創(chuàng)建近乎無(wú)限數(shù)量的獨(dú)特組合能力。傳統(tǒng)合金，如黃銅、不銹鋼、碳鋼和青銅，含有一種主要元素和一種或多種微量元素。

△麻省大學(xué)阿默斯特分校機(jī)械與工業(yè)工程助理教授陳文，站在3D打印的高熵合金組件（散熱器風(fēng)扇和八角晶格的圖像（左），和展示隨機(jī)取向的，納諾拉梅拉微觀結(jié)構(gòu)截面電子反向，散射衍射反極圖像前（右）

3D打印，也被稱為增材制造，最近已經(jīng)成為一種強(qiáng)大的材料開(kāi)發(fā)方法�；�于激光的3D打印，可以產(chǎn)生大的溫度梯度和高的冷卻速率，這是傳統(tǒng)途徑所不能達(dá)到的。然而，朱婷說(shuō)："這種利用增材制造，和HEA的綜合優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)新特性的潛力，在很大程度上仍未得到完全開(kāi)發(fā)。"

陳教授和他在麻省大學(xué)（UMass）多尺度材料和制造實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)，將HEA與最先進(jìn)的3D打印技術(shù)，激光粉末床熔融技術(shù)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)出具有前所未有的特性的新材料。陳說(shuō)，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的冶金學(xué)相比，這種工藝可以使材料非常迅速地熔化和凝固，"你會(huì)得到一個(gè)非常不同的微觀結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離平衡"，所創(chuàng)建的組件。這種微觀結(jié)構(gòu)看起來(lái)像一張網(wǎng)，它被稱為由面心立方（FCC）和體心立方（BCC）的納米交替層結(jié)構(gòu)組成，嵌入到具有隨機(jī)方向的微觀共晶群。分層的納米結(jié)構(gòu)HEA，能夠使兩相共同變形。

△麻省大學(xué)的學(xué)生杰仁，拿著一個(gè)微型散熱風(fēng)扇，這是由文晨實(shí)驗(yàn)室制造的3D打印高熵合金組件之一，馬薩諸塞大學(xué)（UMass Amherst）和喬治亞理工大學(xué)（Georgia Tech）的研究表明，微觀結(jié)構(gòu)的原子重排，產(chǎn)生了超高強(qiáng)度和增強(qiáng)的延展性

陳說(shuō)：“這種不尋常的微觀結(jié)構(gòu)的原子重排，產(chǎn)生了超高強(qiáng)度以及增強(qiáng)的延展性，這是不常見(jiàn)的，因?yàn)橥ǔ��?jiān)固的材料往往很脆，”與傳統(tǒng)的金屬鑄造相比，“我們的強(qiáng)度幾乎提高了三倍以上，而且不僅沒(méi)有失去延展性，實(shí)際上還提高了延展性，”他說(shuō)�！皩�(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度和延展性的結(jié)合是關(guān)鍵。我們的發(fā)現(xiàn)對(duì)于材料科學(xué)和工程來(lái)說(shuō)，都是令人震驚和興奮的。”

學(xué)生和論文的第一作者，陳杰博士：“未來(lái)，擁有能夠生產(chǎn)強(qiáng)韌和延展性HEA的能力，意味著這些3D打印材料，在抵抗應(yīng)用變形方面更加穩(wěn)健，這對(duì)于提高機(jī)械效率和節(jié)能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要�！�

△該研究已發(fā)表在《自然》雜志上，題目為《增材制造的強(qiáng)韌納米片狀高熵合金》（點(diǎn)我傳送門(mén)）

佐治亞理工學(xué)院的朱的團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究的計(jì)算建模。他開(kāi)發(fā)了雙相晶體塑性計(jì)算模型，以了解FCC和BCC納米薄片所起的機(jī)械作用，以及它們?nèi)绾螀f(xié)同工作以增加材料的強(qiáng)度和延展性。

朱說(shuō)：“我們的模擬結(jié)果顯示了，BCC納米薄片中令人驚訝的高強(qiáng)度和高硬化響應(yīng)，這對(duì)于我們的合金可以實(shí)現(xiàn)出色的強(qiáng)度，以及延展性至關(guān)重要。這種具有卓越機(jī)械性能的3D打印，為HEA的未來(lái)發(fā)展提供了重要基礎(chǔ)�！�

此外，3D 打印技術(shù)還是一種強(qiáng)大的生產(chǎn)工具，它可以用于制作幾何復(fù)雜和定制的零件。未來(lái)，利用該技術(shù)特有優(yōu)勢(shì)和HEA的巨大合金設(shè)計(jì)空間，為直接生產(chǎn)用于生物醫(yī)學(xué)和航空航天應(yīng)用的最終用途組件，提供了充足的機(jī)會(huì)。