NIST 开发出激光搅拌技术，可通过 3D 打印制造高熵合金

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员开发出一种用于金属增材制造的激光搅拌方法，解决了制造高熵合金（HEA）时最棘手的障碍之一——在固化过程中使不同的金属在原子水平上均匀混合。

高熵合金包含多种比例大致相同的金属，而不是传统合金中典型的一种基体金属辅以微量添加物。这种成分使其在高温下具有性能优势，成为喷气发动机和核反应堆部件的候选材料。但它们的生产十分复杂，因为各种组成金属（各自具有不同的密度、熔点和表面张力）在熔体冷却时容易分离成不同的区域。

“高熵合金需要混合到原子水平，”共同领导该项目的 NIST 物理学家张帆（音译）说，“要让金属按这些比例融合在一起，需要付出额外的努力。”

金属 3D 打印提供了一条避开铸造限制的潜在途径。“用铸造等传统方法制造高熵合金零件非常困难，”张帆说，“但我们相信金属 3D 打印可能是一个解决方案。”

重写激光路径

NIST 团队的方法改变了激光在激光粉末床熔融过程中的运动方式。研究人员杨浩（音译）没有让激光在粉末床上沿传统的直线路径移动，而是引导激光绘制出椭圆形的环形图案，在熔池形成时对其进行主动搅拌。

“商业 3D 打印机软件无法做出这些图案，”杨浩解释道，“它们在调整激光路径方面的限制非常大，所以我们必须从头开始编写软件。”

由于该技术不需要新的硬件，原则上可以通过重新编程现有的金属 3D 打印机来使用它。

该方法通过将两种性能显著不同的材料结合进行了测试：RHEA-19（一种高密度高熵合金）和一种轻质钛合金。为了确认混合成功，NIST 与阿贡国家实验室的高级光子源（APS）合作——这是一个体育场大小的同步加速器设施，产生的 X 射线束比牙科成像中使用的 X 射线束亮约 5000 亿倍。这些射线束使研究人员能够实时观察金属在不到一秒的时间内从液体转变为固体时的原子级结构变化。

“APS 是世界上少数几个足够强大的光子源之一，能够让我们进行这种类型的测量，”张帆说。

迈向按需合金化

研究人员表示，除了高熵合金之外，这种搅拌技术还可以支持在打印机本身内部进行更广泛的按需合金化——即将元素金属粉末混合，而不是依赖预先合金化的原料。一台备有元素粉末的机器就可以生产一系列合金，从而降低材料成本并扩大可打印成分的范围。

该方法还可以用于在单个零件内连续改变合金成分——例如，喷气涡轮叶片可以用多种金属打印而成，而无需焊接接头。

“我们希望加速合金的制造，”杨浩说，“金属 3D 打印有潜力制造出过去不可能实现的零件。”