一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)3D打印了一種雙相納米結(jié)構(gòu)的高熵合金，其強(qiáng)度和延展性超過了其他最先進(jìn)的增材制造材料。這一突破可以為航空航天、醫(yī)藥、能源和交通領(lǐng)域的應(yīng)用帶來更高性能的部件。這項(xiàng)工作是由馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校和佐治亞理工學(xué)院的研究人員完成的。它由馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校機(jī)械和工業(yè)工程副教授陳文和佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程教授朱挺領(lǐng)導(dǎo)，于8月3日發(fā)表在《自然》雜志上。

在過去的15年里，高熵合金(HEAs)作為材料科學(xué)的一種新范式已經(jīng)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(shè)計(jì)提供了創(chuàng)造近乎無限的獨(dú)特組合的能力。傳統(tǒng)的合金，如黃銅、不銹鋼、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，也被稱為增材制造，最近作為一種強(qiáng)大的材料開發(fā)方法而出現(xiàn)。基于激光的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，“利用增材制造和HEA的綜合優(yōu)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)新特性的潛力在很大程度上仍未被開發(fā)，”朱挺說。

陳文和他在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，開發(fā)出具有前所未有的特性的新材料。陳文說，因?yàn)榕c傳統(tǒng)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(huì)得到一個(gè)非常不同的微觀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離平衡”。這種微觀結(jié)構(gòu)看起來像一張網(wǎng)，由被稱為面心立方晶格(FCC)和體心立方晶格(BCC)的納米恒星結(jié)構(gòu)的交替層組成，嵌入到具有隨機(jī)方向的微觀共晶群。層次分明的納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的原子重排產(chǎn)生了超高的強(qiáng)度以及增強(qiáng)的延展性，這是不常見的，因?yàn)橥ǔ?qiáng)大的材料往往是脆性的。與傳統(tǒng)的金屬鑄造相比，我們得到了幾乎三倍的強(qiáng)度，不僅沒有失去延展性，而且實(shí)際上同時(shí)增加了延展性。對(duì)于許多應(yīng)用來說，強(qiáng)度和延展性的結(jié)合是關(guān)鍵。我們的發(fā)現(xiàn)對(duì)材料科學(xué)和工程都是原創(chuàng)性的，令人振奮。”

“生產(chǎn)高強(qiáng)度和延展性的HEA的能力意味著這些3D打印材料在抵抗應(yīng)用變形方面更加堅(jiān)固，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，”論文的第一作者任杰說。

佐治亞理工學(xué)院的朱挺小組領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究的計(jì)算模型。他們開發(fā)了雙相晶體塑性計(jì)算模型，以了解FCC和BCC納米顆粒所發(fā)揮的機(jī)械作用，以及它們?nèi)绾喂餐饔?，使材料增加?qiáng)度和延展性。

“我們的模擬結(jié)果顯示，BCC納米顆粒的強(qiáng)度和硬化反應(yīng)令人驚訝，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)我們合金出色的強(qiáng)度和延展性協(xié)同作用非常關(guān)鍵。”朱挺說：“這種機(jī)理上的理解為指導(dǎo)未來開發(fā)具有特殊機(jī)械性能的3D打印HEA提供了一個(gè)重要的基礎(chǔ)。”

此外，3D打印提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具來制造幾何上復(fù)雜和定制的零件。在未來，利用3D打印技術(shù)和HEA的巨大合金設(shè)計(jì)空間，為直接生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)和航空航天應(yīng)用的終端部件提供了大量的機(jī)會(huì)。