纳米|研究人员3D打印出第一种高性能纳米结构合金，既超强又延展性好

麻省理工学院阿默斯特分校和佐治亚理工学院的研究人员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先进的增材制造材料。

上图：新型高熵合金（HEAs）多重纳米结构的示意图。
麻省大学阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）和佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的一组研究人员3D打印出了一种双相纳米结构高熵合金，其强度和延展性超过了其他最先进的增材制造材料，这可能导致在航空航天、医药、能源和交通运输领域应用的高性能组件。这项研究由马萨诸塞大学机械与工业工程助理教授陈文（音译）和佐治亚理工大学机械工程教授朱亭（音译）领导，发表在8月份的《自然》(Nature)杂志上。
在过去的15年里，高熵合金（HEAs）作为一种新的材料科学范式越来越受欢迎。它们由几乎相等比例的五个或更多元素组成，能够为合金设计创建近乎无限数量的独特组合。传统合金，如黄铜、碳钢、不锈钢和青铜，只含有一种主要元素和一种或多种微量元素。
增材制造，也被称为3D打印，最近已经成为一种强大的材料开发方法。基于激光的3D打印可以产生大的温度梯度和高冷却速率，这是传统方法无法实现的。然而，利用增材制造和 HEAs 的综合优势来实现新性能的潜力，在很大程度上还有待探索。
陈文教授和他在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（称为激光粉末床融合）相结合，开发出具有前所未有性能的新材料。由于与传统冶金相比，该工艺能使材料非常迅速地熔化和凝固，陈文教授说，因此“你会在所创建的组件上获得一种非常不同的微观结构，它远非平衡的” 。这种微结构看起来像一张网，由被称为面心立方（FCC）和体心立方（BCC）的交替层构成，嵌入在微尺度共晶团中，具有随机取向。分层纳米结构 HEA 使两相的协同变形成为可能。
陈文教授表示：“这种不同寻常的微观结构的原子重新排列，带来了超高的强度和增强的延展性，这是不寻常的，因为通常高强度的材料往往是脆的。与传统的金属铸造相比，我们几乎获得了三倍的强度，不仅没有失去延展性，而且实际上同时提高了它。对于许多应用，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的，令人兴奋。 ”
陈文教授的博士生、这篇论文的第一作者任杰（音译）表示：“制造坚固耐用的HEA的能力意味着，这些3D打印材料在抵抗外加变形方面更加坚固，这对于提高机械效率和节能的轻量化结构设计非常重要。 ”
朱亭教授的团队在乔治亚理工学院领导了这项研究的计算建模。他开发了双相晶体塑性计算模型，以理解FCC和BCC纳米层所起的机械作用，以及它们如何共同作用，从而赋予材料额外的强度和延展性。
朱亭教授表示：“我们的模拟结果显示， BCC纳米层具有惊人的高强度和高硬化响应，这是我们的合金实现卓越强度-延性协同的关键。这种对机械性能的理解，为指导具有特殊机械性能的3D打印 HEAs 的未来发展，提供了重要的基础。 ”
此外， 3D打印提供了一个强大的工具，以制造几何复杂和定制零件。在未来，利用3D打印技术和 HEAs 巨大的合金设计空间，为直接生产用于生物医学和航空航天应用的终端组件提供了大量机会。
该论文的其他研究伙伴包括德州农工大学、加州大学洛杉矶分校、莱斯大学以及橡树岭和劳伦斯利弗莫尔国家实验室。