美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員開發了一種新的基於激光的方法，可能會簡化全球一些最堅固金屬合金的製造過程。他們的突破性技術利用專門編程的激光在三維列印過程中攪拌熔融金屬，幫助不同元素在原子層面上更均勻地混合。這一進展可能有助於生產高性能材料，用於噴氣發動機、核反應堆及其他必須在極端環境下運行的設備。
新激光技術有助於高熵合金的製造
高熵合金為何難以製造？許多現代產業依賴於提供獨特性能的金屬合金，例如耐熱性、強度和耐腐蝕性。大多數傳統合金由一種主要金屬與少量其他元素組成。例如，鋼主要是鐵，並添加少量碳及其他添加劑。高熵合金（HEAs）則不同，它們包含多種金屬，且在大約相等的比例中存在，而非單一主要金屬。典型的高熵合金可能包含五種金屬，每種金屬約佔總重量的 20%。這些獨特的混合物在高温下表現優異，因而對航空航天和能源應用具有吸引力。
然而，製造這些合金並不容易。
「高熵合金需要混合到原子層級，」NIST 物理學家張凡（Fan Zhang）表示，他是該項目的共同負責人。「使金屬以這些比例混合需要額外的努力。」不同金屬的熔化、流動和冷卻方式各異，當熔融材料固化時，各元素往往會分離到不同區域，這降低了合金的質量和強度。張凡指出：「用傳統方法如鑄造來製作高熵合金零件是困難的，但我們相信金屬三維列印可能是一個解決方案。」
重新編程激光以攪拌熔融金屬，團隊使用了激光粉末牀熔融技術，這是一種常見的金屬三維列印方法。在這一方法中，激光逐層熔化細金屬粉末以建造固體物體。通常，激光沿著粉末牀的直線移動。NIST 研究員餘浩（Ho Yeung）及其團隊嘗試了一些新方法。他們編程激光以環形運動，攪拌形成的小池熔融金屬。這一想法類似於在碗中混合食材。通過移動液態金屬，研究人員促進了元素的混合，而非分離。
餘浩解釋：「商業三維列印機的軟件無法製作這些圖案，它們在激光路徑調整方面非常有限，因此我們必須從頭編寫該軟件。」
由於這一技術使用軟件而非新硬件，目前的金屬三維列印機可以透過更新其軟件來使用此技術。強大的 X 射線實時揭示發生的變化。為了測試他們的過程，團隊嘗試混合兩種通常難以結合的材料：一種稱為 RHEA-19 的高密度高熵合金和一種輕質鈦合金。研究人員將其環形激光移動到兩種材料的邊界上，並隨後檢查發生了什麼變化。為了觀察固化過程中的變化，他們與位於芝加哥附近的阿貢國家實驗室的先進光子源（APS）合作。
APS 產生的 X 射線束亮度約為牙科診所的 5000 億倍，這使科學家能在短短幾分之一秒內看到密集金屬內部的變化。
張凡表示：「APS 是世界上少數幾個能夠進行這類測量的光子源之一。」通過使用 X 射線衍射和電子顯微鏡，研究人員確認激光攪拌改善了混合和合金的形成。
金屬三維列印技術的未來潛力
朝著按需合金生產的方向邁進。除了高熵合金的好處，研究人員認為這一技術還能使製造商在列印過程中製作定製合金，而不僅僅依賴於預製合金粉末。目前，每種金屬粉末都是為特定合金製作的。未來，列印機可以在機器內混合基本金屬粉末，類似於彩色印表機混合油墨以製作不同顏色。這一方法可能降低成本，提供更多設計選擇，並允許工程師在單一零件內變更材料性能。例如，噴氣發動機渦輪葉片的不同部分可以列印為不同的合金，而無需將單獨的部分焊接在一起。
餘浩表示：「我們希望加速合金的製作，金屬三維列印有潛力製造以前不可能的零件。」這項研究的結果發表在《增材製造》期刊上。
