AM易道导语

读者朋友，在材料科学界，存在这样一个公认的难题：

对于金属间化合物材料来说，当抗拉强度超过1000 MPa时，材料往往会变得异常脆硬，延展性通常不足5%。

而目前通过3D打印制造的金属间化合物，最高强度一般在800-1000 MPa范围，延展性也普遍低于15%。

您能想象，有什么样的合金材料可以同时达到1600 MPa的超高强度和35%的大延展性？

更不用说这种材料还要能被3D打印成复杂形状而不开裂。

2025年1月25日，《Nature Communications》发表的一项突破性研究给出了令人惊叹的答案...

《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-025-56355-2）发表了由香港城市大学、联合南方科技大学、哈尔滨工业大学（深圳）、中科院金属研究所等多家机构完成的最新研究成果。

这项研究通过增材制造实现，不仅解决了困扰材料界数十年的金属间化合物"强韧性矛盾"难题，更为航空航天、能源等高端制造领域带来全新解决方案。

历史性难题与创新突破

过去数十年间，有序金属间化合物因其卓越的机械性能、化学稳定性和独特的物理特性，一直被视为先进结构应用的理想候选材料。

然而，这类材料存在两个根本性问题：其一是严重的脆性，导致加工过程中极易开裂；

其二是加工成型难度大，特别是在制造复杂几何形状构件时，传统减材制造方法往往无能为力。

比如，典型的Ni3Al基IC-221M合金在激光粉末床熔融过程中就会出现难以避免的开裂。

AM易道认为，本研究的重大突破在于提出了一个全新的材料设计理念。

研究团队开发出一种基于Ni-Co-Si-Ti-Al-B体系的L12型化学复杂金属间化合物（CCIMA）

其成分精确设计为Ni58.48Co18.9Si11.6Ti6.6Al4.4B0.02（原子百分比）。

这种新型材料不仅完美解决了传统金属间化合物的固有缺陷，更通过激光粉末床熔融（LPBF）技术实现了高精度制造。

卓越性能超出边际！

如图1所示，这种新型材料展现出令人惊叹的性能组合：抗拉强度达到1620±30 MPa，同时保持着35±3%的均匀延伸率。

这一性能指标不仅远超现有的添加制造金属间化合物，也优于包括镍基高温合金、钢铁材料、钛合金以及面心立方高熵合金在内的其他高性能金属材料。

细看图1揭示了这项研究在材料制备和性能表征方面的重要发现。在基板上，我们能观察到形成的枝晶组织结构，这种组织对材料性能起着关键作用。

实物样品展示部分，研究团队不仅制备出了致密的块体样品，更成功打印出了具有复杂点阵结构的中空样品。

这些精致的点阵结构展现了材料优异的可加工性。通过微焦点CT检测显示，样品的孔隙率仅为0.005%，这在金属3D打印领域是一个极其出色的数据。

图中的色标代表气孔的体积大小，从不同角度可以清晰地看到孔隙的三维分布特征。

应力应变曲线展示了材料在力学性能方面的突破。我们可以看到打印态和热处理态样品的性能差异，热处理后的样品展现出理想的强度-塑性组合：1620MPa的强度和35%的均匀延伸率。

最后一张子图通过与其他增材制造金属间化合物的对比，直观地展示了本研究材料的卓越性能。

灰色虚线标示了传统材料的性能边界，而本研究的材料明显突破了这一界限。

精密制造金属增材工艺优化

研究团队对LPBF工艺进行了全方位优化。

在打印过程中，将316L不锈钢基板预热至200°C以减少残余应力，采用67°的激光旋转角度确保层间结合性能。

关键工艺参数包括：激光功率200W、扫描速度900mm/s、层厚0.03mm、扫描间距0.12mm、光斑直径64μm。

打印过程在氩气保护环境下进行，氧含量控制在400ppm以下。

通过多物理场模拟和实验验证相结合，研究团队确定了最优的工艺窗口。

研究发现，当扫描速度提高到900mm/s时，熔池和熔体流动的稳定性显著提升，这在补充视频中得到了直观展示。

团队还成功制备了标准拉伸试样，其标距长度为12.5mm，截面尺寸为3.2×3mm2，展现出优异的尺寸精度。

精准的微观结构调控

材料在打印态存在的脆性G相通过1000°C/2h的单步热处理得到了有效消除。

如图2所示，热处理后的材料呈现出高度有序的L12晶体结构。

通过EBSD分析发现，材料形成了平均晶粒尺寸为17.7μm的细晶组织，织构指数最大值为2.56，表明晶粒取向分布随机。

扫描电镜下的断口分析显示大量韧窝特征，且无晶界解理现象，证实了材料的本征韧性。

DFT计算表明，材料的APB能量为301 mJ/m2，SISF能量为200 mJ/m2，这种合理的错位能量设计为材料的优异塑性提供了保障。

创新性界面工程

我们来看看材料的晶界设计。

如图3所示，在晶界处形成了一层约5nm厚的无序界面纳米层（DINL）。

通过3D原子探针技术发现，钴Co元素在DINL区域的含量可达50.64±1.23 at.%，远高于晶内的18.95±2.04 at.%。同时，硼B元素也呈现显著偏聚（0.85±0.22 at.%）。

这种独特的界面结构设计有效防止了传统金属间化合物常见的晶界脆性断裂。

电子能谱分析进一步揭示了晶界处Co-B共偏聚效应对界面强度的增强作用。

独特的变形机制与强化效应

如图4所示，材料展现出复杂而高效的多重强化机制。

随着应变从5%增加到35%，晶界附近的几何必需位错（GND）密度显著提高。

在较低应变阶段（5%），主要通过反相界面（APB）耦合超晶格位错变形；

随着应变增加到15%，出现了超晶格内禀层错（SISF）；当应变达到35%时，形成了交叉堆垛层错网络。

这种渐进式的变形机制转变使材料获得了高达5.1 GPa的工作硬化率，远超大多数金属材料，包括高熵合金（典型值2-3 GPa）和Ni基高温合金（典型值1-2 GPa）。

AM易道通俗解释的话，当材料受到外力时，会依次激活不同的防御机制。最初是在晶界布置特殊的"守卫"（位错），随着压力增大，材料会逐步启动更强大的防御手段，从简单的原子错位到形成复杂的防护网络。

正是这种层层递进的防御策略，让材料能够不断自我强化，每受到一分变形就变得更强韧一分，其强化速度比普通金属快了好几倍，这也是它能同时拥有超高强度和韧性的关键所在。

重大科技创新价值

AM易道认为，这项研究的价值体现在以下几个方面：

首先，在基础科学层面，研究揭示了一种全新的金属间化合物韧性化机制，为解决"强度-塑性"矛盾提供了创新思路。

通过精确控制无序界面纳米层的形成和元素分布，成功实现了晶界增韧而不牺牲强度的目标。

其次，在工艺技术层面，研究团队成功实现了复杂金属间化合物的高质量3D打印，这极大拓展了增材制造技术的应用范围。

尤其是在复杂形状构件的近净成形制造方面，该技术展现出明显的优势。

第三，在应用前景方面，这种新型材料的性能组合使其有望在航空航天、能源、汽车等高端制造领域获得广泛应用。

特别是在需要承受高应力、高温环境的关键零部件制造中，该材料展现出独特的竞争优势。

AM易道最后聊两句

让我们回到开篇的问题：有什么样的金属材料能同时拥有35%的超高延展性和1600MPa的惊人强度，还能被3D打印成各种复杂形状而不开裂？

这个看似不可能完成的任务，如今已经被这种创新的化学复杂金属间化合物（CCIMA）完美解答。

通过精妙的材料设计和先进的增材制造工艺，研究团队成功突破了传统金属材料的性能边界。

对于航空航天领域来说，这意味着可以3D打印制造出更轻、更强、更可靠的发动机部件；

对于能源行业，这种材料在高温高压环境中展现出独特优势；

在汽车制造领域，它能帮助设计师打造更安全、更高效的新一代车型。

AM易道将持续关注这类材料的3D打印进展。