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傳統合金，通常以1~2種金屬為主，新增少量其它元素實現合金化。而高熵合金（high-entropy alloys，HEAs）則是由五種及以上元素以近似摩爾比混合，每種元素含量（原子比）均在5%~35%之間。

高熵合金CoCrFeMnNi（fcc晶相）的原子結構模型。圖片來源：Wikipedia ［1］

追溯高熵合金的發展歷史可以發現，早在18世紀末期，德國冶金學家Franz Karl Achard就有了五元到七元合金的實驗記錄 ［2］。1993年，劍橋大學的Greer提出了“混亂原理（Confusion principle）”，認為多元合金在液態時混亂度高，即混合熵高，因此合金容易保留高溫熔體時的高混合熵，形成非晶玻璃態 ［3］。

然而，2004年，葉均蔚（Jien-Wei Yeh）教授發現高熵合金並非只能是非晶相，可以具有晶體結構 ［4］。同年，英國的Cantor等人在製備的多元合金中也發現了很多脆性的晶相 ［5］。由於與“混亂原理”相悖，據說當時葉教授的論文 ［4］ 投到

Science

雜誌被拒，輾轉多次最終才最終發表。然而，顛覆性的工作終不會被埋沒，這兩篇論文目前的引用數已分別達到6000+和3000+，可以說開闢了合金材料科學與工程的新方向。

近日，

佐治亞理工學院

的

Ting Zhu

課題組和

馬薩諸塞大學阿默斯特分校

的

Wen Chen

課題組合作在

Nature

雜誌上發表論文，

利用3D列印技術實現了一種兼具高強度和高韌性的雙相奈米結構高熵合金的製備和成型

。材料的屈服強度達1。3 GPa、均勻伸長率達14%，超過了報道的其他最先進的3D列印金屬合金。該技術在能源、生物醫學、航天航空和運輸等領域具有潛在的應用價值。

3D列印的強韌高熵合金。圖片來源：佐治亞理工學院 ［6］

傳統的固化方式，高熵合金的微觀片層的厚度通常在微米範圍，這限制了其機械強度。研究者使用3D列印技術為鐳射粉床熔合（Laser powder bed fusion，L-PBF），這種技術涉及大溫度梯度和快速冷卻，產生了具有高度亞穩態的分級微觀結構。透過調整鐳射功率和掃描速度，打印出的AlCoCrFeNi2。1高熵合金，微觀呈現出明顯的雙相共晶結構，由面心立方（fcc）和體心立方（bcc）奈米層交替組成，其厚度分別為151 ± 39 nm和64 ± 24 nm，長度為20-30 μm和2-6 μm。其中，fcc相和bcc相均為固溶體，呈現為金屬合金中典型的Kurdjumov–Sachs取向關係，即{111}fcc||{110}bcc且<110>fcc||<111>bcc，二者質量分數分別為67%和33%，晶格失配僅為2。3%。共晶的形狀和取向幾乎完全隨機，這可能源於生長層和凝固層部分重熔引起的外延生長之間的相互作用，並抑制了織構形成。研究者列印了幾種具有代表性的工程部件，包括散熱器風扇、八位組桁架、齒輪等，這證明了3D列印這種共晶高熵合金對於各種複雜幾何結構都有很好的適應性。

高熵合金AlCoCrFeNi2。1的微觀結構分析。圖片來源：

Nature

該材料的屈服強度可達1。3 GPa，均勻伸長率為14%，對應的極限抗拉強度為1640 ± 38 MPa。高熵合金的共晶奈米層表現出近似各向同性的力學行為，拉伸斷裂後的樣品顯示為微凹陷的“杯形和錐形”斷裂表面，說明為韌性斷裂。此外，後續熱處理可以進一步調節其機械效能，比如，800 ℃退火1小時後，伸長率可超過20%，屈服強度為~1 GPa；600 ℃退火5小時後，伸長率為7。5%，屈服強度為~1。6 GPa。

高熵合金AlCoCrFeNi2。1的拉伸效能。圖片來源：

Nature

這種高熵合金的高屈服強度主要來自於雙相奈米層狀結構的強化效應，奈米厚度使其介面可以對位錯滑移施加更強烈的相互約束作用。晶格應變響應可分為三個階段，在高達約14%的拉伸應變下，bcc和fcc奈米片層均表現出高強度和高應變硬化率，且bcc奈米片對高強度和高硬化的貢獻更大，也因此提高了高熵合金的拉伸效能。

單軸拉伸期間fcc相和bcc相的應變和應力分配。圖片來源：

Nature

虛擬明場旋進電子衍射（PED）和透射電子顯微鏡（TEM）影象也證明了這一點。隨著拉伸應變增加，bcc奈米層提供了更穩定的應變硬化。開始，在fcc和bcc介面處觀察到了很多的邊緣位錯，而奈米片層中的位錯密度似乎沒有顯著增加。隨著進一步應變，在奈米片層內開始觀察到更多邊緣位錯，尤其是在bcc相。這一趨勢表明，相介面的位錯儲存能力開始飽和，促進了片層內的位錯累積。

應變下高熵合金AlCoCrFeNi2。1的微結構演變。圖片來源：

Nature

與傳統冶金技術相比，基於鐳射粉床熔合的3D列印技術讓材料迅速地熔化和凝固，“使產品獲得不同的微觀結構，看起來像一張網，層層交替”，Wen Chen教授說，“與傳統金屬鑄造相比，我們的材料強度幾乎提高了三倍，不僅沒有失去延展性，甚至還提高了延展性。我們的發現對於材料科學和工程來說是令人興奮的”。Ting Zhu教授也說道，“bcc奈米片層顯示出令人驚訝的高強度和高應變硬化，對這種機制的理解，為具有卓越機械效能的3D列印高熵合金的未來發展提供了重要基礎”。［6-7］

Strong yet ductile nanolamellar high-entropy alloys by additive manufacturing

Jie Ren， Yin Zhang， Dexin Zhao， Yan Chen， Shuai Guan， Yanfang Liu， Liang Liu， Siyuan Peng， Fanyue Kong， Jonathan D。 Poplawsky， Guanhui Gao， Thomas Voisin， Ke An， Y。 Morris Wang， Kelvin Y。 Xie， Ting Zhu & Wen Chen

Nature

，

2022

，

608

， 62-68。 DOI： 10。1038/s41586-022-04914-8

參考文獻：

［1］ High-entropy alloys

https：//en。wikipedia。org/wiki/High-entropy_alloys

［2］ C。 S。 Smith，

Four outstanding researches in metallurgical history

。 Washington： American Society for Testing and Materials，

1963

。

［3］ A。 Greer， Confusion by design。

Nature

1993

，

366

， 303-304。DOI： 10。1038/366303a0

［4］ J。-W。 Yeh，

et al

。 Nanostructured High-Entropy Alloys with Multiple Principal Elements： Novel Alloy Design Concepts and Outcomes。

Adv。 Eng。 Mater

。

2004

，

6

， 299-303。 DOI： 10。1002/adem。200300567

［5］ B。Cantor，

et al。

Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys。

Materials Science and Engineering： A

2004

， 375–377， 213-218。 DOI： 10。1016/j。msea。2003。10。257

［6］ Researchers 3D Print First High-Performance Nanostructured Alloy That’s Both Ultrastrong and Ductile

https：//research。gatech。edu/researchers-3d-print-first-high-performance-nanostructured-alloy-thats-both-ultrastrong-and-ductile

［7］ Umass Amherst and Georgia Tech Researchers 3D Print First High-Performance Nanostructured Alloy that’s Both Ultrastrong and Ductile

https：//www。umass。edu/news/article/umass-amherst-and-georgia-tech-researchers-3d-print-first-high-performance

（本文由

小希

供稿）

TAG: 合金bcc3D奈米fcc