想象一下，如果能夠改變金屬的性質(zhì)，使其既像瓷磚一樣堅(jiān)固但易碎，又像回形針一樣柔韌易彎曲，那該有多好。要實(shí)現(xiàn)這種程度的控制，需要在材料成型過程中精確操控其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如今，科學(xué)家們已經(jīng)證明，通過增材制造技術(shù)定制高熵合金，這是完全可行的。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員與其他研究人員合作，研究了如何利用加工條件來定制下一代高熵合金(HEAs)。

更具體地說，這項(xiàng)研究旨在了解凝固速率如何影響激光增材制造高熵合金（在本例中為AlCrFe?Ni?共晶高熵合金）的微觀結(jié)構(gòu)演變和相變路徑。研究人員通過調(diào)節(jié)激光掃描速度來控制凝固速率，從而影響金屬的冷卻，進(jìn)而影響其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合熱力學(xué)建模和分子動(dòng)力學(xué)模擬了這些高熵合金的3D打印過程。

研究人員利用增材制造過程中快速冷卻的特性，來確定金屬凝固時(shí)原子如何穩(wěn)定下來。（圖片：Needpix.com）

這項(xiàng)發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上的研究表明，當(dāng)激光緩慢移動(dòng)時(shí)，熔融金屬冷卻速度也較慢。這使得液態(tài)金屬中的原子有足夠的時(shí)間通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，并自然分離成不同的組分或“相”。相反，當(dāng)激光掃描速度加快時(shí)，金屬冷卻速度極快。這種快速冷卻會(huì)阻止擴(kuò)散，意味著原子沒有時(shí)間移動(dòng)或分離。因此，材料會(huì)有效地“凝固”成單一的、均勻的固相，而不是像通常那樣分離成復(fù)雜的混合物。副研究組長托馬斯·沃辛解釋說：

提高激光轉(zhuǎn)速可以加快冷卻速率，由于材料冷卻速度更快，其重組為低能構(gòu)型的時(shí)間也更短。這使得材料能夠被凍結(jié)在非平衡態(tài)，從而可以用于精細(xì)調(diào)控原子結(jié)構(gòu)和最終的力學(xué)性能。

憑借這些知識(shí)，科學(xué)家們得以利用高熵合金的多功能性，根據(jù)特定需求定制其性能。這就像只需調(diào)整激光速度就能將幾種材料融合為一體：得益于共晶合金AlCrFe?Ni?，研究人員成功創(chuàng)造出了一系列不同的性能。最終，這項(xiàng)研究表明，制造工藝可以進(jìn)行精確調(diào)整，從而定制先進(jìn)金屬部件的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性。

研究人員早已發(fā)現(xiàn)，增材制造的快速冷卻速率會(huì)導(dǎo)致高熵合金形成獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，通常表現(xiàn)為更細(xì)小的晶粒、改變的相分布和更優(yōu)異的力學(xué)性能。勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的這項(xiàng)研究成果是活躍且快速發(fā)展的研究領(lǐng)域的一部分，該領(lǐng)域科學(xué)家們系統(tǒng)地研究如何利用激光增材制造工藝參數(shù)來調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，從而定制高熵合金和其他先進(jìn)合金的力學(xué)性能。

這種方法是否意味著增材制造不僅是一種生產(chǎn)工具，更是一個(gè)探索發(fā)現(xiàn)的平臺(tái)？增材制造無需反復(fù)試驗(yàn)各種配方，即可用于設(shè)計(jì)具有預(yù)設(shè)性能的材料。“我們現(xiàn)在能夠高效地設(shè)計(jì)出充分利用增材制造優(yōu)勢(shì)（例如極快的冷卻速度）的新材料，”沃辛先生說道。

編譯整理：3dnatives