通過激光3D打印制造堅固且不易斷裂的高熵合金（HEA）
時間：2023-12-20 09:22 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2023年12月19日，研究人員成功地將多種金屬元素結合，創造了一種新型的耐用高熵合金（HEA），這種材料在嚴酷的環境中，如高磨損、極端溫度、強烈輻射和高應力場合，展現出巨大的應用潛力。
技術研發背景
雖然傳統的3D打印技術可以用于生產HEA，但通常這種方法會導致材料的延展性較差，使得3D打印的HEA難以成型，并且在承受負載時易發生變形或伸展，以及容易斷裂。現在，科學家們已經利用基于激光的3D打印技術開發出更堅固、更具延展性的HEA，并通過中子和X射線散射以及電子顯微鏡技術，更深入地了解了這些性能改進的機制。
這一進步將惠及消費者和工業，例如，有望生產出更安全、更節能的汽車、更強大的產品和更耐用的機械。另外，基于激光的增材制造技術在能源效率方面表現出色，這使得生產新型HEA具有額外的吸引力。
部分性能超過鈦合金
技術細節方面，這種新型HEA的特點是能夠產生納米厚度的薄片（薄板層），這些薄片具有極高的強度，而它們獨特的邊緣設計允許一定程度的滑動，增強了材料的延展性。這些薄片層由平均厚度約150納米的面心立方（FCC）晶體結構和平均厚度約65納米的體心立方（BCC）晶體結構的交替層組成。
新型HEA展現出約1.3千兆帕的高屈服強度，超過了當前最強的3D打印鈦合金。同時，這些HEA還具有約14%的延伸率，這一比例在相同屈服強度的金屬合金中是較高的。延伸率是衡量材料在彎曲過程中不斷裂能力的重要指標。
該團隊采用橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的散裂中子源設備，對HEA樣品在應力下的內部機械負載分布進行了詳細的觀察。同時，他們還在納米相材料科學中心（也是ORNL的設施）使用原子探針儀器，捕捉到了成分的詳細三維圖像，以及由交替的納米片層組成的微觀結構。此外，在高級光子源（阿貢國家實驗室的另一個美國能源部設施）中使用X射線衍射研究了不同退火樣品的相。
這一技術的影響不容小覷。在未來，工業界可能會廣泛采用這種更堅固、更易成型的HEA，特別是在需要輕型、復雜結構的高耐用性、高可靠性和強抗斷裂性的零部件制造中。
△通過3D打印制造的高熵合金（左）中發現的兩種晶體結構（右）
技術研發背景
雖然傳統的3D打印技術可以用于生產HEA，但通常這種方法會導致材料的延展性較差，使得3D打印的HEA難以成型，并且在承受負載時易發生變形或伸展，以及容易斷裂。現在，科學家們已經利用基于激光的3D打印技術開發出更堅固、更具延展性的HEA，并通過中子和X射線散射以及電子顯微鏡技術，更深入地了解了這些性能改進的機制。
這一進步將惠及消費者和工業，例如，有望生產出更安全、更節能的汽車、更強大的產品和更耐用的機械。另外，基于激光的增材制造技術在能源效率方面表現出色，這使得生產新型HEA具有額外的吸引力。
△該研究已發表在自然雜志上，題目為“通過增材制造獲得堅固且具有延展性的納米層狀高熵合金”（傳送門）
部分性能超過鈦合金
技術細節方面，這種新型HEA的特點是能夠產生納米厚度的薄片（薄板層），這些薄片具有極高的強度，而它們獨特的邊緣設計允許一定程度的滑動，增強了材料的延展性。這些薄片層由平均厚度約150納米的面心立方（FCC）晶體結構和平均厚度約65納米的體心立方（BCC）晶體結構的交替層組成。
新型HEA展現出約1.3千兆帕的高屈服強度，超過了當前最強的3D打印鈦合金。同時，這些HEA還具有約14%的延伸率，這一比例在相同屈服強度的金屬合金中是較高的。延伸率是衡量材料在彎曲過程中不斷裂能力的重要指標。
△曲線上標有屈服強度（σ0.2）和極限抗拉強度（σu）
該團隊采用橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的散裂中子源設備，對HEA樣品在應力下的內部機械負載分布進行了詳細的觀察。同時，他們還在納米相材料科學中心（也是ORNL的設施）使用原子探針儀器，捕捉到了成分的詳細三維圖像，以及由交替的納米片層組成的微觀結構。此外，在高級光子源（阿貢國家實驗室的另一個美國能源部設施）中使用X射線衍射研究了不同退火樣品的相。
這一技術的影響不容小覷。在未來，工業界可能會廣泛采用這種更堅固、更易成型的HEA，特別是在需要輕型、復雜結構的高耐用性、高可靠性和強抗斷裂性的零部件制造中。
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