耐用高熵合金挑战强度极限的激光金属工艺

激光快速成型技术生产出的高熵合金强度更高、更不易断裂。研究人员通过将几种金属元素结合在一起，制造出一种名为耐用高熵合金（HEAs）的材料。HEAs 在涉及严重磨损、极端温度、辐射和高应力的应用中具有潜在用途。

它们可以通过3D打印（也称为增材制造AM）制造，但这通常会导致延展性较差。这意味着3D打印的HEA难以成型，在负载作用下不会产生足够的变形或拉伸，从而无法防止断裂。

现在，科学家们利用基于激光的AM技术制造出了强度更高、延展性更好的HEA。他们利用中子和X射线散射以及电子显微镜来更好地了解这些性能改进的机理。

有朝一日，工业生产中可能会用到更坚固、更易成形的 HEA。为了在这些应用中发挥作用，轻型和复杂的 HEA 部件需要提高耐用性、可靠性和抗断裂性。

这将使消费者和工业界受益，例如可以生产出更安全、更省油的汽车、更坚固的产品和更耐用的机械。此外，基于激光的 AM（激光将粉末合金熔化成固体金属形状）具有很高的能效。这使其对生产新型 HEA 具有吸引力。

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通过快速成型技术制造的高熵合金（左）中发现的两种晶体结构（右）的图像。

纳米薄片结构和机械性能

基于激光的增材制造工艺制造出了纳米厚的纳米薄板（薄板层），具有很高的强度，而薄板的明显边缘允许一定程度的滑动（延展性）。板由平均厚度约为 150 纳米的面心立方（FCC）晶体结构和平均厚度约为 65 纳米的体心立方（BCC）晶体结构交替层组成。

新型 HEA 的屈服强度高达约 1.3 千兆帕，超过了目前强度最高的钛合金。这些 HEA 还具有约 14% 的伸长率，高于具有相同屈服强度的其他 AM 金属合金。伸长率是衡量材料在不断裂的情况下可承受的弯曲程度的指标。

先进的研究技术和设施

中子数据来自位于橡树岭国家实验室（ORNL）的能源部（DOE）科学办公室用户设施 Spallation 中子源，研究人员利用这些数据可以检查 HEA 样品在应变时的内部机械负载分担情况。

研究人员利用同样位于橡树岭国家实验室（ORNL）的能源部用户设施--纳米材料科学中心（Center for Nanophase Materials Sciences）的原子探针仪器，捕捉到了由交替的纳米薄片层组成的成分和微结构的详细三维图像。

在阿贡国家实验室的另一个能源部科学办公室用户设施--先进光子源，研究人员利用 X 射线衍射对不同退火样品的相进行了研究。