美國能源部下屬國家研究機(jī)構(gòu)勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的科學(xué)家們最近的一項(xiàng)研究表明，3D打印金屬的性能 可以在制造過程中進(jìn)行精確調(diào)整。研究團(tuán)隊(duì)通過改變打印高熵合金時(shí)的激光掃描速度，揭示了 冷卻速率如 何影響金屬凝固過程中的原子結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，無需進(jìn)行后處理或合金重新設(shè)計(jì)，即可通過工藝參數(shù)直接調(diào)整材料性能。

研究結(jié)果直接解決了金屬3D打印材料性能不確定造成的主要應(yīng)用障礙，有助于這項(xiàng)技術(shù)獲得更廣泛的應(yīng)用。

金屬增材制造可預(yù)測(cè)面臨的挑戰(zhàn)

金屬增材制造技術(shù)雖然能夠制造用于航空航天和國防領(lǐng)域的復(fù)雜形狀部件，但由于材料性能難以預(yù)測(cè)，因此仍舊難以被大膽用于對(duì)性能要求高的關(guān)鍵應(yīng)用中。打印過程中快速的熔化和凝固會(huì)形成非平衡的微觀結(jié)構(gòu)，即使在相同的標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)下，也會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度、延展性和斷裂韌性出現(xiàn)顯著差異。

勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）指出，高熵合金包含多種主要元素而非單一基體金屬，因此比傳統(tǒng)合金具有更廣闊的設(shè)計(jì)空間。其復(fù)雜的化學(xué)成分使其能夠展現(xiàn)出廣泛的力學(xué)性能，但也使其對(duì)打印過程中的熱歷史高度敏感。因此，冷卻速率的微小差異就可能顯著改變?cè)优帕泻妥罱K性能，進(jìn)一步加劇了可預(yù)測(cè)性的挑戰(zhàn)。

馬薩諸塞大學(xué)團(tuán)隊(duì)制備出兼具超強(qiáng)強(qiáng)度和高延展性的高性能納米結(jié)構(gòu)合金

利用激光速度對(duì)原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程

為了研究工藝參數(shù)如何影響材料性能，由LLNL領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)將熱力學(xué)建模與金屬增材制造的分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合。研究人員分析了激光掃描速度如何影響凝固過程中的冷卻速率，進(jìn)而影響原子在成分復(fù)雜的合金中的排列方式。

結(jié)果表明，更快的激光掃描速度會(huì)提高冷卻速率，從而限制原子重排成低能構(gòu)型的時(shí)間，這使得材料鎖定在非平衡原子結(jié)構(gòu)中。較慢的掃描速度則允許更多的原子重排，從而產(chǎn)生更接近熱力學(xué)平衡的結(jié)構(gòu)。

這種工藝級(jí)控制能夠直接在同一合金體系內(nèi)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和延展性之間的調(diào)控?？焖倮鋮s可提高強(qiáng)度，但會(huì)增加脆性；而緩慢冷卻則可獲得更均衡的力學(xué)性能。該方法無需改變合金成分，只需修改單個(gè)打印參數(shù)即可調(diào)整性能。

利用增材制造技術(shù)高通量合成Mo-Nb-Ta-W高熵合金

“我們現(xiàn)在已經(jīng)能夠有效地設(shè)計(jì)出充分利用增材制造特性（例如極快的冷卻速度）的新材料，”副組長(zhǎng)托馬斯·沃辛說道。

不同冷卻速率下快速凝固的AlCrFe2Ni2高熵合金的室溫截面圖（300 K）下，冷卻速率分別為10K/ps, 5K/ps，0.1K/ps，0.01K/ps.藍(lán)色、綠色和白色球體分別對(duì)應(yīng)BCC、FCC和非晶原子。中央方框代表初始晶格，作為BCC結(jié)構(gòu)（以藍(lán)色球體表示)

盡管LLNL的研究表明，在金屬增材制造過程中，可以通過控制激光掃描速度來影響原子結(jié)構(gòu)，但這些發(fā)現(xiàn)是基于高熵合金的熱力學(xué)建模和分子動(dòng)力學(xué)模擬，尚未在經(jīng)過認(rèn)證的大規(guī)模零件生產(chǎn)中得到驗(yàn)證。盡管如此，這項(xiàng)工作表明，工藝參數(shù)可以作為有意設(shè)計(jì)的手段來影響材料性能，而不是將微觀結(jié)構(gòu)變化視為不可避免的結(jié)果。

性能可調(diào)控在應(yīng)用中至關(guān)重要

在金屬增材制造過程中調(diào)整機(jī)械性能的能力解決了該領(lǐng)域面臨的一個(gè)根本性難題：最終用途零件性能的不確定性。在航空航天、國防和能源等領(lǐng)域，工程師無法基于各種可能的材料結(jié)果來設(shè)計(jì)或認(rèn)證零件。機(jī)械性能必須預(yù)先確定，才能滿足認(rèn)證、安全和可靠性要求。然而，傳統(tǒng)的金屬增材制造工藝往往會(huì)產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)差異，因?yàn)闊崃鞯?strong>微小變化就可能導(dǎo)致原子結(jié)構(gòu)的巨大差異。

通過增材制造制成的高熵合金

近期的研究反映出學(xué)界正努力減少這種不確定性。研究表明，激光粉末床熔融過程中的冷卻速率會(huì)影響晶粒結(jié)構(gòu)、韌性和耐腐蝕性；而其他研究團(tuán)隊(duì)則開發(fā)出一些工具，可以通過調(diào)整激光功率和掃描策略來預(yù)測(cè)和影響鎳基高溫合金的微觀結(jié)構(gòu)。這些方法旨在使打印材料的性能與設(shè)計(jì)意圖相符，但通常需要進(jìn)行大量的參數(shù)優(yōu)化或針對(duì)特定合金的調(diào)整。

3D打印技術(shù)參考查詢到，LLNL的這項(xiàng)研究以“Unravelling Microstructure Selection in an Additively Manufactured Eutectic High-Entropy Alloy”為題發(fā)表在Advanced Materials。

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