科學家對金屬3D打印性能調控誕生新理解：無需后處理、不換成分，性能可調！

美國能源部下屬國家研究機構勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家們最近的一項研究表明，3D打印金屬的性能 可以在制造過程中進行精確調整。研究團隊通過改變打印高熵合金時的激光掃描速度，揭示了 冷卻速率如 何影響金屬凝固過程中的原子結構。研究結果表明，無需進行后處理或合金重新設計，即可通過工藝參數直接調整材料性能。

研究結果直接解決了金屬3D打印材料性能不確定造成的主要應用障礙，有助于這項技術獲得更廣泛的應用。

金屬增材制造可預測面臨的挑戰

金屬增材制造技術雖然能夠制造用于航空航天和國防領域的復雜形狀部件，但由于材料性能難以預測，因此仍舊難以被大膽用于對性能要求高的關鍵應用中。打印過程中快速的熔化和凝固會形成非平衡的微觀結構，即使在相同的標準工藝參數下，也會導致強度、延展性和斷裂韌性出現顯著差異。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）指出，高熵合金包含多種主要元素而非單一基體金屬，因此比傳統合金具有更廣闊的設計空間。其復雜的化學成分使其能夠展現出廣泛的力學性能，但也使其對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原子排列和最終性能，進一步加劇了可預測性的挑戰。

馬薩諸塞大學團隊制備出兼具超強強度和高延展性的高性能納米結構合金

利用激光速度對原子結構進行編程

為了研究工藝參數如何影響材料性能，由LLNL領導的研究團隊將熱力學建模與金屬增材制造的分子動力學模擬相結合。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，進而影響原子在成分復雜的合金中的排列方式。

結果表明，更快的激光掃描速度會提高冷卻速率，從而限制原子重排成低能構型的時間，這使得材料鎖定在非平衡原子結構中。較慢的掃描速度則允許更多的原子重排，從而產生更接近熱力學平衡的結構。

這種工藝級控制能夠直接在同一合金體系內實現強度和延展性之間的調控。快速冷卻可提高強度，但會增加脆性；而緩慢冷卻則可獲得更均衡的力學性能。該方法無需改變合金成分，只需修改單個打印參數即可調整性能。

利用增材制造技術高通量合成Mo-Nb-Ta-W高熵合金

“我們現在已經能夠有效地設計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.藍色、綠色和白色球體分別對應BCC、FCC和非晶原子。中央方框代表初始晶格，作為BCC結構（以藍色球體表示)

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構，但這些發現是基于高熵合金的熱力學建模和分子動力學模擬，尚未在經過認證的大規模零件生產中得到驗證。盡管如此，這項工作表明，工藝參數可以作為有意設計的手段來影響材料性能，而不是將微觀結構變化視為不可避免的結果。

性能可調控在應用中至關重要

在金屬增材制造過程中調整機械性能的能力解決了該領域面臨的一個根本性難題：最終用途零件性能的不確定性。在航空航天、國防和能源等領域，工程師無法基于各種可能的材料結果來設計或認證零件。機械性能必須預先確定，才能滿足認證、安全和可靠性要求。然而，傳統的金屬增材制造工藝往往會產生微觀結構差異，因為熱流的微小變化就可能導致原子結構的巨大差異。

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影響晶粒結構、韌性和耐腐蝕性；而其他研究團隊則開發出一些工具，可以通過調整激光功率和掃描策略來預測和影響鎳基高溫合金的微觀結構。這些方法旨在使打印材料的性能與設計意圖相符，但通常需要進行大量的參數優化或針對特定合金的調整。

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

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