2026年1月23日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL)的研究人员开发了一种方法，可以通过改变激光扫描速度来控制增材制造过程中金属的原子级结构。
△劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）新型增材制造高熵合金的艺术效果图。来源：LLNL
LLNL 团队与学术合作者共同努力，解决了金属 3D
打印中长期存在的局限性，即导致微观结构远离平衡状态，从而造成机械性能不可预测。相关研究以题为“Unravelling
Microstructure Selection in an Additively ManufacturedEutectic
High‐Entropy Alloy”的论文发表在《先进材料》杂志上。
合金微观结构的新研究
3D打印已经彻底改变了航空航天工程等行业，实现了以前难以想象的部件设计。然而，这项技术目前主要局限于现有的金属合金，然而这些合金最初并非为激光
3D 打印带来的快速加热和冷却循环而设计的。3D打印工艺本身的复杂性会导致微观结构偏离平衡状态，从而产生难以预测的力学性能。
研究团队专注于成分复杂的材料——高熵合金——这是一类极具发展前景的金属材料，并结合热力学建模和分子动力学模拟了3D打印过程，以确定冷却速率如何影响内部结构。他们的研究发现，激光扫描速度可以控制原子锁定到位的方式。
激光速度如何影响性能
劳伦斯利弗莫尔国家实验室副组长托马斯·沃辛表示：“提高激光转速可以加快冷却速度，材料冷却速度越快，重新排列成低能构型的时间就越短。这会将材料冻结在非平衡态，而这种状态可用于调节原子结构和由此产生的机械性能。”
他们的研究结果表明，快速冷却会使合金强度很高但脆性也更大，而缓慢冷却则能形成更柔韧、更平衡的结构。这使得研究人员能够利用高熵合金独特的通用性，根据特定需求定制性能。这就像在坚硬的瓷砖和可弯曲的回形针之间进行切换：一种能抵抗外力但会突然断裂，另一种则会弯曲变形。研究人员只需调整这种特定金属合金的激光速度，就能在单一材料中创造出如此丰富的特性。
对未来材料设计的启示
这项成果在金属材料设计方面取得了突破性进展。增材制造技术不再依赖于反复试验，而是可以成为一个平台，用于设计具有预设性能的金属材料。Voisin补充道：“我们现在已经能够有效地设计出充分利用增材制造特性（例如极快的冷却速度）的新材料。”
这种方法标志着材料科学进入了一个新时代，在这个时代，增材制造可以从一种生产技术发展成为材料发现平台。通过将工艺参数与原子尺度的结果联系起来，研究人员可以设计出满足航空航天、国家安全和商业工业系统特定运行需求的定制金属材料。
来源：南极熊
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