在航空航天、核能等尖端领域，材料性能往往决定着整个系统的极限。如何开发出能在极端环境下稳定工作的新型材料，一直是材料科学家们孜孜以求的目标。
近日，由阿拉巴马大学伯明翰分校(UAB)领衔的一项最新研究，为我们揭示了3D打印高熵合金在超高压下的微观结构演变规律，为设计更先进的极端环境材料指明了方向。
纳米层状结构:3D打印高熵合金的奥秘
这项研究的主角是一种名为Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2的高熵合金。
与传统合金不同，高熵合金通常由5种及以上主元素组成，具有优异的强度、韧性和耐高温性能。
而该合金更是通过3D打印技术制备而成，在微观上形成了独特的纳米层状结构。
AM易道认为，3D打印技术为高熵合金的制备带来了革命性的变化。传统铸造工艺往往难以控制合金的微观结构，而3D打印技术却能精确调控材料的成分和组织，实现"按需设计"。
在这项研究中，研究人员利用激光粉末床熔融(LPBF)技术，成功制备出由体心立方(BCC)和面心立方(FCC)相交替排列的纳米层状结构。
通过先进的电子显微镜技术，研究人员揭示了Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2高熵合金独特的微观结构特征。
背散射扫描电子显微镜（SEM）图像清晰展示了样品表面经抛光和镓离子刻蚀后的形貌（图A）。高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）成像进一步揭示了两种具有明显对比度的相（图B）。在更高放大倍率下，明场透射电子显微镜（TEM）图像清晰呈现出两相区域的细节结构（图1C）。
图D中的衍射图案证实了FCC相的存在，而图E则同时显示了FCC和BCC相的特征衍射点，表明这两种相在纳米尺度上紧密共存。
高分辨率HAADF-STEM图像（图F）更是直接展示了FCC/BCC相界面的原子排列，FCC相的(111)晶面与BCC相的(110)晶面平行排列。
这种特殊的两相微观结构，正是该合金优异性能的关键所在。
精确控制BCC和FCC相比例的关键工艺
在制备双相高熵合金时，精确控制BCC和FCC相的比例是实现优异力学性能的关键。
这一过程涉及多个工艺步骤，其中后处理热处理尤为重要。
具体制备工艺是在另一篇文章中提及：
首先，产自威拉里的初始粉末成分（Ni40Co20Fe10Cr10Al18W2）为双相结构奠定基础（粉末粒度范围为15-53μm,平均粒径35μm）。
其次，EOSM290设备的3D打印参数（如300W激光功率、900mm/s扫描速度、0.08mm扫描间距和0.04mm层厚，采用5mm宽条带的双连续扫描策略,层与层之间旋转67°）通过影响冷却速率来调节相形成。另外需900°C退火1小时。
最终可以将打印后样品中28% BCC/B2和72% FCC/L12的比例调整为44% BCC/B2和56% FCC。这凸显了退火温度和时间在相比例控制中的重要性。
此外，退火后的冷却方式（如水淬）也会影响最终相结构。
这种多步骤协同控制的方法为设计和制造高性能双相高熵合金开辟了新途径，展现了3D打印技术在材料微观结构精确调控方面的独特优势。
极限挑战:30GPa高压下的相变行为
为了探究这种3D打印高熵合金在极端环境下的行为，研究团队将其置于金刚石对顶砧高压装置中，进行了高达30GPa的压力实验。
这个压力相当于地球深部400-500公里处的压力。
实验结果令人惊讶: 在9GPa压力下，合金中的BCC相完全转变为FCC相，而这种转变是不可逆的。
更为神奇的是，即便在30GPa的极端压力下，合金的纳米层状结构依然保持完好。
这一发现更新了人们对高熵合金相变行为的认知。
这种独特的相变行为可能源于3D打印工艺带来的微观结构特征。传统铸造合金往往在高压下发生可逆的相变，而这种3D打印高熵合金却表现出不可逆的相变特性。
这为设计新型极端环境材料提供了全新思路。
纳米尺度探秘:高分辨率成像揭示相变机理
为了深入了解高压下的相变机理，研究团队运用了先进的电子显微镜技术对压力处理后的样品进行了纳米尺度观察。
他们首先利用聚焦离子束技术从压缩后的样品中提取出厚度仅有几纳米的超薄切片，然后通过高分辨率透射电镜对其进行成像分析。
压缩后的样品仍保持了层状结构（下图A），这表明该材料具有优异的结构稳定性。选区衍射图案（下图B）及其对应的强度剖面（下图C）进一步证实了压缩后样品的结晶特性。
更为有趣的是，纳米衍射分析揭示了压缩后样品中相变的发生。
如上图所示，HAADF-STEM图像（图A）中两个不同区域的纳米衍射图案（图B和C）均显示为FCC结构，这意味着原本的BCC相在高压下完全转变为FCC相。
高分辨率明场STEM图像（图D）展示了两个FCC相之间的界面结构，进一步证实了这一相变过程。
这一发现意味着高压下的相变过程是一种无扩散相变机制。
原子在晶格中的相对位置发生了重排，但并未发生长程扩散。这种相变机制有助于保持合金的纳米层状结构，从而维持其优异的力学性能。
计算机模拟:揭示相变的原子尺度细节
为了进一步理解相变的微观机制，研究团队还进行了分子动力学模拟。虽然由于计算资源限制，模拟中使用的是简化的FeCuNi三元合金模型，但仍然捕捉到了实验中观察到的关键特征。
模拟显示，在高压下BCC相首先在界面处开始向FCC相转变，随后转变逐渐扩展到整个BCC区域。
有趣的是，模拟还预测了压力卸载后FCC相的保留程度与初始BCC相稳定性之间的关系。这为实验中观察到的不可逆相变提供了理论解释。
展望:3D打印高熵合金的未来
这项研究不仅揭示了3D打印高熵合金在极端环境下的独特行为，更为设计新型极端环境材料提供了重要启示。
随着3D打印技术的不断进步，我们有望实现更精细的微观结构调控，从而开发出性能更加优异的新型合金材料。
这些材料可能在航空航天、核能、深海探测等极端环境应用中发挥重要作用。
当然，要将实验室的发现转化为实际应用，还需要克服许多挑战。如何在工业规模上实现稳定的3D打印工艺? 如何进一步优化合金成分和微观结构? 如何更容易精确控制BCC/FCC的比例？这些都是未来需要深入研究的方向。
