通過先進3D列印製造的高熵合金在多個尺度上具有層次結構,表現出更高強度和良好的延展性。
圖片來源:佐治亞理工學院官網
美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校和佐治亞理工大學科學家在最新一期《自然》雜誌線上版發表論文稱,他們採用3D列印方法,製作出一種雙相奈米結構高熵合金(HEA),其強度和延展性優於現有其他先進的3D列印材料,有望催生可用於航空航太、醫學、能源和運輸等領域的高性能部件。
過去15年,HEA越來越受歡迎。HEA是由5種或5種以上等量或大約等量的金屬製成的合金,具有許多理想的性質,因此在材料科學及工程領域備受重視。3D列印技術目前已用於材料開發領域,基於鐳射的3D列印可以産生大的溫度梯度和高冷卻速率,而傳統方法很難做到這一點。
此次,研究人員將HEA與先進的3D列印技術——鐳射粉末床熔融結合,開發出具有前所未有性能的新材料。由於該工藝使材料熔化和凝固速度非常快,所得到材料的微觀結構與傳統方法製造出的材料大相徑庭。新材料的微觀結構看起來像一種網狀結構,由名為面心立方(FCC)和體心立方(BCC)的奈米層狀結構交替組成,這些層被嵌入微尺度共晶團中,分級奈米結構HEA使兩相能夠協同變形。
研究人員表示,這種不尋常微觀結構的原子重排使其擁有超高強度和更高的延展性,與傳統金屬鑄件相比,新材料的強度提升了3倍,延展性不減反增。使HEA擁有更強韌性和更好延展性有助於研製出機械效率高且節能的輕質結構。
研究團隊還開發出了雙相晶體塑性計算模型,以了解FCC和BCC奈米片層所起的作用,以及它們如何協同工作以增加材料的強度和延展性。結果顯示,BCC奈米片層具有極堅固的特性,這對於實現合金卓越的強度—延展性協同作用至關重要。未來,科學家們有望利用3D列印技術和HEA研製出可廣泛應用於生物醫學、航空航太等領域的高性能部件。
(責任編輯:柯曉霽)