维度网讯，美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员开发出一种用于金属增材制造的激光搅拌方法，解决了高熵合金（HEA）生产中长期存在的障碍——在凝固过程中实现不同金属在原子层面的均匀混合。
高熵合金含有大致等比例的多种金属，而非传统合金那样以单一金属为基体加微量添加。这种成分使其在高温下具备性能优势，成为喷气发动机和核反应堆部件的候选材料。但组成金属的密度、熔点和表面张力各不相同，导致熔体冷却时倾向分离成离散区域，使生产复杂化。
“高熵合金需要在原子级别混合，”共同领导该项目的NIST物理学家Fan Zhang表示。“让金属以那些比例混合需要额外的努力。”
金属3D打印提供了一条绕过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很困难，”Zhang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团队的方法修改了激光粉末床熔融过程中激光的移动方式。研究人员Ho Yeung没有让激光在粉末床上沿传统的直线路径行进，而是引导激光沿椭圆环形路径移动，在熔池形成时主动搅拌它。
“商业3D打印机软件无法生成这些路径，”Yeung解释说。“它们对激光路径的调整非常有限，所以我们不得不从头编写软件。”
由于该技术不需要新硬件，现有金属3D打印机原则上可以通过重新编程来使用它。
该方法通过组合两种性能显著不同的材料进行了测试：RHEA-19（一种致密高熵合金）和一种轻质钛合金。为确认混合成功，NIST与阿贡国家实验室的先进光子源（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亮约5000亿倍。这些光束使研究人员能够在不到一秒的时间内实时观察金属从液态转变为固态时的原子级结构变化。
“APS是世界上为数不多的强大到足以让我们进行此类测量的光子源之一，”Zhang说。
走向按需合金化
除了高熵合金，研究人员表示，该搅拌技术还可以支持打印机内部更广泛的按需合金化——将元素金属粉末混合，而不是依赖预合金化的原料。一台配备元素粉末的机器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。
该方法还可用于在同一零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无需焊接接头。
“我们想加速合金制造，”Yeung说。“金属3D打印有潜力制造出以前不可能实现的零件。”
这项研究发表在《增材制造》（Additive Manufacturing）期刊上。
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