麻省大学Nature丨3D打印高性能纳米结构合金，具有超强韧性和延展性

△研究人员成功地3D打印了一种双相纳米结构的高熵合金

在过去的 15 年中，高熵合金 (HEA) ，作为一种新的材料科学范式变得越来越流行。它们由几乎相等比例的五种或更多元素组成，并提供了为合金设计，创建近乎无限数量的独特组合能力。传统合金，如黄铜、不锈钢、碳钢和青铜，含有一种主要元素和一种或多种微量元素。

△麻省大学阿默斯特分校机械与工业工程助理教授陈文，站在3D打印的高熵合金组件（散热器风扇和八角晶格的图像（左），和展示随机取向的，纳诺拉梅拉微观结构截面电子反向，散射衍射反极图像前（右）

3D打印，也被称为增材制造，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的冷却速率，这是传统途径所不能达到的。然而，朱婷说："这种利用增材制造，和HEA的综合优势来实现新特性的潜力，在很大程度上仍未得到完全开发。"

陈教授和他在麻省大学（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。陈说，因为与传统的冶金学相比，这种工艺可以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，这个结构远离平衡"，所创建的组件。这种微观结构看起来像一张网，它被称为由面心立方（FCC）和体心立方（BCC）的纳米交替层结构组成，嵌入到具有随机方向的微观共晶群。分层的纳米结构HEA，能够使两相共同变形。

多尺度非平衡态纳米片层组织实现强度塑性协同效应。激光选区熔化打印过程中的极高温度梯度和冷却速率使AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金形成了多尺度非平衡态组织：具有随机织构的微米尺度共晶团（eutectic colony）中分布着BCC+FCC纳米片层结构（平均片层间距：~215 nm），BCC片层中的调幅分解进一步导致纳米尺度化学异构。共晶团的随机晶体学取向和生长方向有助于实现材料的各向同性力学特性。

                     

                     

佐治亚理工学院朱的团队领导了这项研究的计算建模，开发了双相晶体塑性计算模型，以了解FCC和BCC纳米薄片所起的机械作用，以及它们如何协同工作以增加材料的强度和延展性。朱说：“我们的模拟结果显示了，BCC纳米薄片中令人惊讶的高强度和高硬化响应，这对于我们的合金可以实现出色的强度，以及延展性至关重要。这种具有卓越机械性能的3D打印，为HEA的未来发展提供了重要基础。”

BCC纳米片层罕见的显著加工硬化行为有助于提高材料的塑性。传统BCC纳米金属由于缺乏应变硬化行为而展现出有限的塑性。在这项研究中采用原位中子衍射、双相晶体塑性有限元模拟及透射电镜等手段均证明BCC纳米片层比FCC纳米片层具有更高的位错密度增殖速率及加工硬化速率。变形过程中FCC片层及半共格片层界面的约束、具有不同取向的相邻共晶团及共晶团界面的约束，以及BCC片层中的纳米尺度化学异构都有助于提高BCC纳米片层的应变硬化能力，从而提高材料的塑性。

图3 通过原位中子衍射研究AM AlCoCrFeNi2.1的变形机理。（a）拉伸方向FCC和BCC特征晶面的晶格应变（lattice strain）随真应力的演变，图中标志和实线分别代表中子衍射实验和晶体塑性有限元模拟结果。（b）拉伸过程中应力在FCC和BCC相中的实时分布。（c）不同应变下合金的中子衍射图谱。（d）通过改进Williamson-Hall方法计算得到的FCC和BCC相位错密度随应变的变化。

此外，3D 打印技术还是一种强大的生产工具，它可以用于制作几何复杂和定制的零件。未来，利用该技术特有优势和HEA的巨大合金设计空间，为直接生产用于生物医学和航空航天应用的最终用途组件，提供了充足的机会。

该研究揭示了利用激光3D打印特有的热物理场特性及高熵合金的多主原特性设计高性能双相/多相，异质纳米结构的思路。纳米片层组织特有的强韧化机理可有效指导高性能铝合金及钛合金多相片层结构设计。

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https://doi.org/10.1038/s41586-022-04914-8

来源：增材制造硕博联盟