南洋理工 ：3D打印高熵合金設計、制備、微觀組織和性能！
計算模擬方法，尤其是基于相圖計算（CALPHAD）的方法，可以預測并篩選出具有所需微觀結構和性能的潛在高熵合金。計算模擬工具，如CALPHAD相圖計算、有限元法（FEM）、計算流體動力學（CFD）和分子動力學（MD）模擬，能夠幫助研究人員精準預測材料的微觀結構、力學性能和熱物理特性，從而優化激光粉床熔融工藝參數。這些方法有效降低了試錯成本，提升了打印質量。
本期，借助材料人的分享，本期3D科學谷與谷友共同領略3D打印高熵合金設計、制備、微觀組織和性能的綜述！尤其是如何通過多種計算模擬方法，加速合金的篩選與優化。
▲論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100834
3D科學谷洞察
“計算模擬在增材制造高熵合金中的作用是多方面的，它不僅能夠加速新合金的發現和優化，還能深入理解材料的微觀結構與性能之間的關系，為高熵合金的研究和應用提供了強有力的工具。”
01【導讀】
近年來，金屬3D打印技術在制造復雜金屬結構方面取得了顯著進展，而高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)憑借其卓越的機械、物理和化學特性，已成為金屬增材制造領域的熱門材料。由新加坡南洋理工大學的周琨教授團隊撰寫的最新綜述，聚焦激光粉床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技術在高熵合金領域的應用，系統總結了不同種類高熵合金的設計策略、粉末制備方法、打印態微觀組織、性能表現以及潛在應用前景。
該綜述以“Recent progress in high-entropy alloys for laser powder bed fusion: Design，processing, microstructure, and performance”為題，發表在材料綜述的頂刊《Materials Science & Engineering R：Reports》上。文章旨在為研究人員提供寶貴參考，助力開發高性能高熵合金，推動這一新興材料在增材制造中的應用與發展。
02【內容簡介】
高熵合金是一類新型合金，通過在接近等原子比的成分下混合多種主要元素，展現出優異的強度、韌性、耐腐蝕和抗輻射性能。相比傳統合金，高熵合金具備更廣泛的設計空間，適合應用于航空航天、能源和生物醫學等高性能需求領域。然而，由于組成復雜與多元素混合帶來的材料制備和穩定性問題，傳統制造技術難以實現有效加工。激光粉床熔融技術憑借其高冷卻速率、極致的幾何設計自由度和可控的微觀結構調控，為研究人員提供了克服這些挑戰的有力工具。
“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析
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該篇綜述將高熵合金分為七種類別：3d過渡金屬高熵合金、共晶高熵合金、沉淀強化高熵合金、耐火高熵合金、亞穩態高熵合金、間隙高熵合金和高熵基復合材料 （如圖1）。研究中詳細分析了每種高熵合金在不同應用中的微觀結構特征及其制造過程中的技術挑戰。例如，通過激光粉床熔融制備的共晶高熵合金，具有優良的打印精度和機械強度，廣泛應用于對力學性能和輕量化有極高要求的工程領域。
▲圖1、激光粉床熔融高熵合金的設計分類
由于實驗的高昂成本且耗時，文章總結了多種計算模擬方法，加速了合金的篩選與優化。綜述詳細介紹了多種計算模擬工具（如圖2），包括CALPHAD相圖計算、有限元法（FEM）、計算流體動力學（CFD）和分子動力學（MD）模擬。通過這些工具，研究人員能夠精準預測材料的微觀結構、力學性能和熱物理特性，幫助優化激光粉床熔融工藝參數。這些方法不僅有效降低了試錯成本，還顯著提升了打印質量，為高熵合金的增材制造提供了可靠的理論支撐。
▲圖2、計算模擬激光粉床熔融高熵合金的成分設計和工藝優化
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高熵合金的微觀組織對其性能具有決定性影響。激光粉床熔融工藝的高冷卻速率使得高熵合金在打印過程中形成獨特的微觀結構。例如，3d過渡金屬高熵合金通常形成單相面心立方（FCC）結構，展現出優異的強度和韌性平衡。此外，共晶高熵合金由于其特有的雙相微觀結構（如FCC和BCC相交替排列），在滿足強度要求的同時提高了延展性。沉淀強化高熵合金通過在合金基體中形成精細的析出物，提升了材料的硬度和抗蠕變性能，非常適合高溫應用。耐火高熵合金則展示了極高的熔點和優異的耐磨損性，在極端環境應用中表現突出。文章還指出，LPBF過程中的殘余應力和熱處理策略對于控制這些微觀結構起著重要作用。
▲圖3、激光粉床熔融各類高熵合金的拉伸性能總結
3D打印的高熵合金在強度和延展性平衡方面表現出色（如圖3），使其在承受動態載荷和沖擊時能夠有效抵抗斷裂。其強化機制包括析出強化、形變誘導相變等。在極端環境中，耐火高熵合金的高熔點和熱穩定性表現尤為突出，適合應用于高溫結構部件。共晶高熵合金因其雙相結構和較好的導熱性，適用于對熱管理要求較高的應用場合。此外，間隙高熵合金由于添加了碳、氮等小原子元素，提升了材料的硬度和耐磨性，在高磨損條件下表現優異。高熵合金在腐蝕和輻射等嚴苛環境下同樣表現出色。例如，3d過渡金屬高熵合金的多元素混合效應（如惰性保護效應）提升了其耐腐蝕能力，適合于海洋和化工領域的腐蝕性環境。研究還發現，LPBF工藝中的高冷卻速率有利于抑制有害相的析出，從而增強了材料的耐輻射性能。這些特性使高熵合金在極端應用環境中具備巨大的應用潛力。
▲圖4、激光粉床熔融高熵合金的工業應用前景示例
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綜述中還討論了激光粉床熔融制備的高熵合金在能源、航空航天和生物醫學領域的廣泛應用（圖4）。例如，3d過渡金屬高熵合金適用于制造航空器零部件的制造，共晶高熵合金則適合用于生物醫學植入物的個性化定制。未來，隨著計算模擬技術和機器學習的成熟，高熵合金的開發速度將進一步加快，這將為增材制造技術在高性能材料領域的應用開辟更多可能。
03【團隊介紹】
新加坡南洋理工大學周琨教授課題組依托于惠普-南洋理工大學數字制造聯合實驗室和新加坡3D打印中心，長期從事多種增材制造技術（3D打印）研究。目前聚焦于功能聚合物復合材料及高性能新金屬材料研發、先進結構設計和多尺度模擬仿真、增材制造零件宏微觀力學性能表征及其應用等。
來源
材料人 l
南洋理工周琨團隊頂刊綜述：3D打印高熵合金
鏈接
https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100834
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