​高性能离不开工艺调整，Nature 3D打印双优综合性能材料研究分析

2022年一篇在Nature发表的文章备受关注，获得了国内外多领域媒体的广泛报道，它就是由美国马萨诸塞大学、佐治亚理工学院、橡树岭国家实验室以及劳伦斯利弗莫尔国家实验室等七家研究机构联合发表的关于高熵合金增材制造的研究。

这篇研究之所以受到关注，是因为研究人员首次利用3D打印技术制造了双相纳米层高熵合金，其表现出约1.3GPa的高屈服强度和约14%的大均匀伸长率，以及近乎各向同性的机械行为，这些出色的性能组合超过了其他最先进的3D打印金属材料。

3D打印通常会产生具有高度不均匀晶粒、亚晶粒位错结构和化学偏析微观结构，这在钴基或镍基高温合金、铝合金、钛合金以及高熵合金中较为常见。共晶高熵合金是一类很有前途的多主元素合金，具有双相片层状异构组织，从而为实现优异的机械性能提供了巨大潜力。采用传统凝固路线获得的层片厚度通常在微米或亚微米范围内，限制了共晶高熵合金可达到的强度。相比之下，3D打印的大温度梯度和快速冷却的特点能够产生纳米层状相并使材料表现出高强度，但通常以牺牲延展性为代价。在这项研究中，研究人员利用激光粉末床熔融（L-PBF）的极端打印条件和高熵化合金的有利成分效应，获得了一种非平衡态的相组织，实现了让人震惊的性能提升。

本研究所获得材料性能与其他材料对比（红框可见其强大的性能）

由于激光加工的参数范围很宽，实现对3D打印材料的微观结构和缺陷的合理控制具有挑战性。使用归一化等效能量密度方法，研究人员确定了一个有效的L-PBF处理窗口，来打印完全致密的AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金。

这些组件展示了该合金在各种复杂几何形状方面的出色可打印性

通过调整激光功率和扫描速度，研究人员将层片厚度减少到了数十纳米，并打印了各种具有代表性的工程组件，如散热器风扇、八角桁架微晶格和齿轮结构，这些组件展示了该合金在各种复杂几何形状方面的出色可打印性。

获得高性能的微观组织机理

高屈服强度源于由交替的面心立方体和体心立方纳米层组成的双相结构的强化作用；体心立方纳米层比面心立方纳米层表现出更高的强度和更高的硬化率。

该研究中材料的微观结构

大延展性的产生归因于嵌入微尺度共晶相中的双相纳米层形式的分层微观结构导致的高加工硬化能力，其具有几乎随机的方向以促进各向同性机械性能。

直接3D打印的AlCoCrFeNi2.1与铸件相比，表现出更为出色的机械性能。其屈服强度达到1.3GPa，大大高于铸件的 510±15 Mpa，提升近三倍。它还在高流动应力下显示出很高的应变硬化率，获得了约14%的大均匀伸长率，同时极限拉伸强度达到1.6GPa。该研究中的共晶高熵合金的层间间距可以通过改变激光加工参数来调整进而改变其机械性能，使用给定的加工方案，沿垂直和水平方向获得了近似似的机械性能。这一结果表明，打印后的纳米层状结构具有几乎随机的形状和晶体学取向，其几乎各向同性的力学行为不同于通过其他途径（如热机械处理和定向凝固）产生的高度排列的层状结构所导致的各向异性力学行为。同时，它也与典型的金属3D打印各向异性行为形成鲜明对比，后者倾向于获得柱状晶粒结构。

该研究中材料在打印态和热处理态的性能

随后的热处理使研究人员能够进一步定制微观结构和相关机械性能。例如，在800°C退火1 h后，实现了超过20%的均匀伸长率，屈服强度约为1 Gpa；在600 °C退火5 h后，屈服强度和极限拉伸强度分别提高到约1.6 GPa和1.9 GPa，均匀伸长率为7.5%。快速凝固的共晶高熵合金微观结构通过退火的高可调性获得了广泛的强度-延展性组合，在此期间可能发生各种固态相变，如沉淀、层状粗化和重结晶。直接比较该研究中材料的拉伸性能与其他高性能增材制造合金，可以发现其表现出出色的强度-延展性组合，超过了最先进的增材制造合金。

END

总的来说，对增材制造高熵合金变形行为机理的理解，对开发具有卓越机械性能的多级、双相和多相纳米结构合金具有广泛意义。这项研究所获得优秀机械性能组合，优于其他先进的3D打印合金，有望催生可用于航空航天、医学、能有和运输等领域的高性能部件。