首个3D打印的高性能纳米结构合金兼具超强度和延展性

一个科学家团队已经3D打印了一种双相纳米结构的高熵合金，其强度和延展性超过了其他最先进的增材制造材料。这一突破可以为航空航天、医药、能源和交通领域的应用带来更高性能的部件。这项工作是由马萨诸塞大学阿默斯特分校和佐治亚理工学院的研究人员完成的。它由马萨诸塞大学阿默斯特分校机械和工业工程副教授陈文和佐治亚理工学院机械工程教授朱挺领导，于8月3日发表在《自然》杂志上。

在过去的15年里，高熵合金（HEAs）作为材料科学的一种新范式已经越来越受欢迎。它们由五种或更多的元素以近乎相等的比例组成，为合金设计提供了创造近乎无限的独特组合的能力。传统的合金，如黄铜、不锈钢、碳钢和青铜，包含一种主要元素与一种或多种微量元素的组合。

3D打印，也被称为增材制造，最近作为一种强大的材料开发方法而出现。基于激光的3D打印可以产生大的温度梯度和高的冷却速率，这是传统途径所不能达到的。然而，“利用增材制造和HEA的综合优势来实现新特性的潜力在很大程度上仍未被开发，”朱挺说。

陈文和他在UMass多尺度材料和制造实验室的团队将HEA与最先进的3D打印技术--激光粉末床熔融技术结合起来，开发出具有前所未有的特性的新材料。陈文说，因为与传统的冶金工艺相比，该工艺使材料非常迅速地熔化和凝固，“你会得到一个非常不同的微观结构，该结构远离平衡”。这种微观结构看起来像一张网，由被称为面心立方晶格（FCC）和体心立方晶格（BCC）的纳米恒星结构的交替层组成，嵌入到具有随机方向的微观共晶群。层次分明的纳米结构HEA使两相的合作变形成为可能。

陈文说：“这种不寻常的微观结构的原子重排产生了超高的强度以及增强的延展性，这是不常见的，因为通常强大的材料往往是脆性的。与传统的金属铸造相比，我们得到了几乎三倍的强度，不仅没有失去延展性，而且实际上同时增加了延展性。对于许多应用来说，强度和延展性的结合是关键。我们的发现对材料科学和工程都是原创性的，令人振奋。”

“生产高强度和延展性的HEA的能力意味着这些3D打印材料在抵抗应用变形方面更加坚固，这对于提高机械效率和节能的轻质结构设计非常重要，”论文的第一作者任杰说。

佐治亚理工学院的朱挺小组领导了这项研究的计算模型。他们开发了双相晶体塑性计算模型，以了解FCC和BCC纳米颗粒所发挥的机械作用，以及它们如何共同作用，使材料增加强度和延展性。

“我们的模拟结果显示，BCC纳米颗粒的强度和硬化反应令人惊讶，这对于实现我们合金出色的强度和延展性协同作用非常关键。”朱挺说：“这种机理上的理解为指导未来开发具有特殊机械性能的3D打印HEA提供了一个重要的基础。”

此外，3D打印提供了一个强大的工具来制造几何上复杂和定制的零件。在未来，利用3D打印技术和HEA的巨大合金设计空间，为直接生产生物医学和航空航天应用的终端部件提供了大量的机会。

来源：cnBeta.COM