美國馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校和佐治亞理工大學(xué)科學(xué)家在最新一期《自然》雜志在線版發(fā)表論文稱，他們采用3D打印方法，制作出一種雙相納米結(jié)構(gòu)高熵合金（HEA），其強(qiáng)度和延展性優(yōu)于現(xiàn)有其他先進(jìn)的3D打印材料，有望催生可用于航空航天、醫(yī)學(xué)、能源和運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的高性能部件。
通過先進(jìn)3D打印制造的高熵合金在多個(gè)尺度上具有層次結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出更高強(qiáng)度和良好的延展性。
圖片來源：佐治亞理工學(xué)院官網(wǎng)
過去15年，HEA越來越受歡迎。HEA是由5種或5種以上等量或大約等量的金屬制成的合金，具有許多理想的性質(zhì)，因此在材料科學(xué)及工程領(lǐng)域備受重視。3D打印技術(shù)目前已用于材料開發(fā)領(lǐng)域，基于激光的3D打印可以產(chǎn)生大的溫度梯度和高冷卻速率，而傳統(tǒng)方法很難做到這一點(diǎn)。
此次，研究人員將HEA與先進(jìn)的3D打印技術(shù)——激光粉末床熔融結(jié)合，開發(fā)出具有前所未有性能的新材料。由于該工藝使材料熔化和凝固速度非常快，所得到材料的微觀結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)方法制造出的材料大相徑庭。新材料的微觀結(jié)構(gòu)看起來像一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由名為面心立方（FCC）和體心立方（BCC）的納米層狀結(jié)構(gòu)交替組成，這些層被嵌入微尺度共晶團(tuán)中，分級納米結(jié)構(gòu)HEA使兩相能夠協(xié)同變形。
研究人員表示，這種不尋常微觀結(jié)構(gòu)的原子重排使其擁有超高強(qiáng)度和更高的延展性，與傳統(tǒng)金屬鑄件相比，新材料的強(qiáng)度提升了3倍，延展性不減反增。使HEA擁有更強(qiáng)韌性和更好延展性有助于研制出機(jī)械效率高且節(jié)能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。
研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)出了雙相晶體塑性計(jì)算模型，以了解FCC和BCC納米片層所起的作用，以及它們?nèi)绾螀f(xié)同工作以增加材料的強(qiáng)度和延展性。結(jié)果顯示，BCC納米片層具有極堅(jiān)固的特性，這對于實(shí)現(xiàn)合金卓越的強(qiáng)度—延展性協(xié)同作用至關(guān)重要。未來，科學(xué)家們有望利用3D打印技術(shù)和HEA研制出可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域的高性能部件。
