首個3D打印高性能納米結(jié)構(gòu)合金，具有超強韌性和延展性

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

△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

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

在過去的 15 年中，高熵合金 (HEA) ，作為一種新的材料科學范式變得越來越流行。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，創(chuàng)建近乎無限數(shù)量的獨特組合能力。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。

△麻省大學阿默斯特分校機械與工業(yè)工程助理教授陳文，站在3D打印的高熵合金組件（散熱器風扇和八角晶格的圖像（左），和展示隨機取向的，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)成為一種強大的材料開發(fā)方法?；诩す獾?D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)途徑所不能達到的。然而，朱婷說："這種利用增材制造，和HEA的綜合優(yōu)勢來實現(xiàn)新特性的潛力，在很大程度上仍未得到完全開發(fā)。"

陳教授和他在麻省大學（UMass）多尺度材料和制造實驗室的團隊，將HEA與最先進的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。陳說，因為與傳統(tǒng)的冶金學相比，這種工藝可以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(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)遠離平衡"，所創(chuàng)建的組件。這種微觀結(jié)構(gòu)看起來像一張網(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。

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

陳說：“這種不尋常的微觀結(jié)構(gòu)的原子重排，產(chǎn)生了超高強度以及增強的延展性，這是不常見的，因為通常堅固的材料往往很脆，”與傳統(tǒng)的金屬鑄造相比，“我們的強度幾乎提高了三倍以上，而且不僅沒有失去延展性，實際上還提高了延展性，”他說。“對于許多應(yīng)用來說，強度和延展性的結(jié)合是關(guān)鍵。我們的發(fā)現(xiàn)對于材料科學和工程來說，都是令人震驚和興奮的。”

學生和論文的第一作者，陳杰博士：“未來，擁有能夠生產(chǎn)強韌和延展性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，這對于提高機械效率和節(jié)能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要。”

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

佐治亞理工學院的朱的團隊領(lǐng)導了這項研究的計算建模。他開發(fā)了雙相晶體塑性計算模型，以了解FCC和BCC納米薄片所起的機械作用，以及它們?nèi)绾螀f(xié)同工作以增加材料的強度和延展性。

朱說：“我們的模擬結(jié)果顯示了，BCC納米薄片中令人驚訝的高強度和高硬化響應(yīng)，這對于我們的合金可以實現(xiàn)出色的強度，以及延展性至關(guān)重要。這種具有卓越機械性能的3D打印，為HEA的未來發(fā)展提供了重要基礎(chǔ)?！?br />
此外，3D 打印技術(shù)還是一種強大的生產(chǎn)工具，它可以用于制作幾何復(fù)雜和定制的零件。未來，利用該技術(shù)特有優(yōu)勢和HEA的巨大合金設(shè)計空間，為直接生產(chǎn)用于生物醫(yī)學和航空航天應(yīng)用的最終用途組件，提供了充足的機會。