康奈爾大學實現(xiàn)3D打印高熵合金的微觀結構可調控

導讀：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) 部件中的微觀結構仍然是一項重大挑戰(zhàn)。

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

△Akane Wakai 和 Jennifer Bustillos。資料來源：康奈爾大學

研究結果以題為“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，由于具有化學復雜性和優(yōu)異的性能，為微觀結構工程設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 中的合金設計。

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

通過調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：“微觀結構特征，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構的關鍵�！�

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，柱狀晶粒結構在短短幾分之一秒內形成并生長，這就是科學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材料的瞬時數(shù)據，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，這種中間相可以幫助破壞這些柱狀晶粒并細化晶粒結構。”

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

Wakai說：“這項研究的成果可以用于實際應用，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品等消費品中。”

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