南洋理工周琨团队顶刊综述：3D打印高熵合金设计、制备、微观组织和性能！

学术 2024-11-05 20:49 上海

【导读】

近年来，金属3D打印技术在制造复杂金属结构方面取得了显著进展，而高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)凭借其卓越的机械、物理和化学特性，已成为金属增材制造领域的热门材料。由新加坡南洋理工大学的周琨教授团队撰写的最新综述，聚焦激光粉床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技术在高熵合金领域的应用，系统总结了不同种类高熵合金的设计策略、粉末制备方法、打印态微观组织、性能表现以及潜在应用前景。

该综述以“Recent progress in high-entropy alloys for laser powder bed fusion: Design，processing, microstructure, and performance”为题，发表在材料综述的顶刊《Materials Science & Engineering R：Reports》上。文章旨在为研究人员提供宝贵参考，助力开发高性能高熵合金，推动这一新兴材料在增材制造中的应用与发展。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100834

【内容简介】

高熵合金是一类新型合金，通过在接近等原子比的成分下混合多种主要元素，展现出优异的强度、韧性、耐腐蚀和抗辐射性能。相比传统合金，高熵合金具备更广泛的设计空间，适合应用于航空航天、能源和生物医学等高性能需求领域。然而，由于组成复杂与多元素混合带来的材料制备和稳定性问题，传统制造技术难以实现有效加工。激光粉床熔融技术凭借其高冷却速率、极致的几何设计自由度和可控的微观结构调控，为研究人员提供了克服这些挑战的有力工具。

该篇综述将高熵合金分为七种类别：3d过渡金属高熵合金、共晶高熵合金、沉淀强化高熵合金、耐火高熵合金、亚稳态高熵合金、间隙高熵合金和高熵基复合材料（如图1）。研究中详细分析了每种高熵合金在不同应用中的微观结构特征及其制造过程中的技术挑战。例如，通过激光粉床熔融制备的共晶高熵合金，具有优良的打印精度和机械强度，广泛应用于对力学性能和轻量化有极高要求的工程领域。

图1、激光粉床熔融高熵合金的设计分类

由于实验的高昂成本且耗时，文章总结了多种计算模拟方法，加速了合金的筛选与优化。综述详细介绍了多种计算模拟工具（如图2），包括CALPHAD相图计算、有限元法（FEM）、计算流体动力学（CFD）和分子动力学（MD）模拟。通过这些工具，研究人员能够精准预测材料的微观结构、力学性能和热物理特性，帮助优化激光粉床熔融工艺参数。这些方法不仅有效降低了试错成本，还显著提升了打印质量，为高熵合金的增材制造提供了可靠的理论支撑。

图2、计算模拟激光粉床熔融高熵合金的成分设计和工艺优化

高熵合金的微观组织对其性能具有决定性影响。激光粉床熔融工艺的高冷却速率使得高熵合金在打印过程中形成独特的微观结构。例如，3d过渡金属高熵合金通常形成单相面心立方（FCC）结构，展现出优异的强度和韧性平衡。此外，共晶高熵合金由于其特有的双相微观结构（如FCC和BCC相交替排列），在满足强度要求的同时提高了延展性。沉淀强化高熵合金通过在合金基体中形成精细的析出物，提升了材料的硬度和抗蠕变性能，非常适合高温应用。耐火高熵合金则展示了极高的熔点和优异的耐磨损性，在极端环境应用中表现突出。文章还指出，LPBF过程中的残余应力和热处理策略对于控制这些微观结构起着重要作用。

图3、激光粉床熔融各类高熵合金的拉伸性能总结

3D打印的高熵合金在强度和延展性平衡方面表现出色（如图3），使其在承受动态载荷和冲击时能够有效抵抗断裂。其强化机制包括析出强化、形变诱导相变等。在极端环境中，耐火高熵合金的高熔点和热稳定性表现尤为突出，适合应用于高温结构部件。共晶高熵合金因其双相结构和较好的导热性，适用于对热管理要求较高的应用场合。此外，间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，在高磨损条件下表现优异。高熵合金在腐蚀和辐射等严苛环境下同样表现出色。例如，3d过渡金属高熵合金的多元素混合效应（如惰性保护效应）提升了其耐腐蚀能力，适合于海洋和化工领域的腐蚀性环境。研究还发现，LPBF工艺中的高冷却速率有利于抑制有害相的析出，从而增强了材料的耐辐射性能。这些特性使高熵合金在极端应用环境中具备巨大的应用潜力。

图4、激光粉床熔融高熵合金的工业应用前景示例。

综述中还讨论了激光粉床熔融制备的高熵合金在能源、航空航天和生物医学领域的广泛应用（图4）。例如，3d过渡金属高熵合金适用于制造航空器零部件的制造，共晶高熵合金则适合用于生物医学植入物的个性化定制。未来，随着计算模拟技术和机器学习的成熟，高熵合金的开发速度将进一步加快，这将为增材制造技术在高性能材料领域的应用开辟更多可能。

【团队介绍】

新加坡南洋理工大学周琨教授课题组依托于惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D打印中心，长期从事多种增材制造技术（3D打印）研究。目前聚焦于功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。

来源：材料人

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