重新定義冶金學(xué)！加州理工學(xué)院通過(guò)3D打印設(shè)計(jì)合金成分，將銅鎳合金強(qiáng)度提升四倍

2025年8月3日，南極熊獲悉，來(lái)自加州理工學(xué)院的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種新方法，可以制造形狀和成分均精確可控的金屬物體，從而對(duì)合金及其性能進(jìn)行前所未有的控制。這項(xiàng)進(jìn)展有望用于生產(chǎn)“生物相容性強(qiáng)且機(jī)械強(qiáng)度高”的支架，或“堅(jiān)固輕便”的衛(wèi)星部件，以滿(mǎn)足在太空中的長(zhǎng)期使用需求。3D打印技術(shù)能夠確定最佳的金屬組合，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，甚至可以制造出強(qiáng)度超乎尋常的銅鎳合金。

相關(guān)研究成果以題為“Multiscale Microstructural andMechanical Characterization of Cu–Ni Binary Alloys Reduced During HydrogelInfusion-Based Additive Manufacturing (HIAM)/基于水凝膠灌注的增材制造（HIAM）過(guò)程中Cu-Ni二元合金的多尺度微觀(guān)結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性”的論文發(fā)表在《Small》雜志上。研究得到了美國(guó)能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202501320

加州理工學(xué)院材料科學(xué)、力學(xué)和醫(yī)學(xué)工程系Ruben F.和Donna Mettler教授兼應(yīng)用物理和材料科學(xué)執(zhí)行官Julia R. Greer說(shuō)道：“回顧幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)冶金學(xué)的發(fā)展歷程，大致來(lái)說(shuō)，幾乎總是從原礦開(kāi)始，然后經(jīng)過(guò)熱處理和/或化學(xué)處理和精煉，才能生產(chǎn)出所需的金屬或合金。而基本上，這種方式生產(chǎn)的金屬的機(jī)械性能是有限的。我們此次所展示的是，你實(shí)際上可以微調(diào)金屬材料的化學(xué)成分和微觀(guān)結(jié)構(gòu)，從而顯著提高它們的機(jī)械彈性。”

△加州理工學(xué)院 Ruben F. 和 Donna Mettler 材料科學(xué)、力學(xué)和醫(yī)學(xué)工程教授兼應(yīng)用物理和材料科學(xué)執(zhí)行官 Julia Greer。圖片來(lái)源：EAS 通訊辦公室/加州理工學(xué)院

這種方法由 Thomas T. Tran（2025 年博士）開(kāi)發(fā)，Rebecca Gallivan（2023 年博士）為第二作者，基于 Greer 實(shí)驗(yàn)室早期使用水凝膠灌注增材制造 (HIAM)技術(shù)。此前，HIAM 只能打印一種金屬。Tran 對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展，能夠打印成分各異的銅鎳合金，而這些成分會(huì)顯著影響最終材料的性質(zhì)。

△使用水凝膠灌注增材制造技術(shù)（HIAM）制造銅鎳合金的工藝路線(xiàn)。圖片來(lái)源：Thomas Tran/加州理工學(xué)院。

HIAM工藝首先通過(guò)3D打印逐層打印水凝膠支架。支架浸泡在金屬鹽溶液中。經(jīng)過(guò)煅燒（燒去有機(jī)物）后，金屬氧化物殘留，之后進(jìn)行還原退火：在富氫環(huán)境中加熱，去除氧氣，留下金屬合金。

△HIAM 的最后一步是去除氧氣，留下一種基本致密的銅鎳合金，并形成所需的 3D 打印結(jié)構(gòu)。這里選擇了蜂窩結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：Thomas Tran/加州理工學(xué)院

Greer說(shuō)道：“成分可以按照你喜歡的方式改變，這在傳統(tǒng)的冶金工藝中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。我們的一位同事稱(chēng)這項(xiàng)工作將冶金學(xué)帶入了21世紀(jì)?！?/div>

Gallivan則表示：“這為以不同于其他微尺度增材制造技術(shù)的獨(dú)特方式思考3D打印合金設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。我們發(fā)現(xiàn)，與其他方法相比，加工環(huán)境會(huì)導(dǎo)致截然不同的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。”

Tran 解釋說(shuō)，加州理工學(xué)院的研究人員利用加州大學(xué)歐文分校材料研究所的透射電子顯微鏡 (TEM) 證明，使用 HIAM 方法生產(chǎn)的合金形態(tài)更加均勻，從而提高了整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性。金屬晶粒的形狀、大小和取向受還原退火過(guò)程中氧化物與金屬之間轉(zhuǎn)變的影響。在高溫下，水蒸氣逸出時(shí)會(huì)形成孔隙。這些孔隙和氧化物會(huì)減緩金屬晶粒的生長(zhǎng)速度。這項(xiàng)新研究表明，這種生長(zhǎng)速度受 3D 打印金屬中存在的氧化物類(lèi)型的影響。

△加州理工學(xué)院的科學(xué)家們利用HIAM技術(shù)制造了他們制備的合金的微小柱狀物，并進(jìn)行了機(jī)械測(cè)試。圖中顯示了由三種不同合金制成的柱狀物的強(qiáng)度（沿y軸）隨柱狀物尺寸的變化。柱狀物的強(qiáng)度不僅取決于尺寸，還取決于HIAM技術(shù)產(chǎn)生的納米級(jí)缺陷的數(shù)量，而這些缺陷的數(shù)量會(huì)隨著成分的變化而變化。圖片來(lái)源：Thomas Tran/加州理工學(xué)院

因此，新論文表明，HIAM 制備的合金強(qiáng)度不僅取決于金屬內(nèi)部晶粒的大?。ㄕ缰八J(rèn)為的那樣），還取決于成分。例如，Cu12Ni88 合金中每 88 個(gè)鎳原子對(duì)應(yīng) 12 個(gè)銅原子，強(qiáng)度幾乎是Cu59Ni41 合金（銅和鎳的比例為 59/41）的四倍。

TEM 研究還表明，HIAM 工藝會(huì)在這些合金中留下微小的氧化物夾雜物，這有助于材料獲得卓越的強(qiáng)度。Tran 說(shuō)道：“由于金屬在此過(guò)程中形成的方式非常復(fù)雜，我們發(fā)現(xiàn)納米級(jí)結(jié)構(gòu)富含金屬-氧化物界面，這有助于將合金的硬度提高多達(dá)四倍。”