激光画圈搅拌熔融金属，突破3D打印合金混合难题。
美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员开发出了一种全新的3D打印方法，用激光在熔化金属的同时进行搅拌，成功制造出了传统手段难以生产的高性能合金。他们同时还设计了一套基于X射线的观测技术，可以在金属熔化和凝固的瞬间以原子级别捕捉变化过程，让冶金学家首次能够在3D打印过程中实时目睹原子是如何重新排列的。冶金学家早已知道，将不同金属混合成合金可以精细调控材料性能。过去20年里，一类名为高熵合金(HEA)的新材料逐渐兴起。这类合金在原子层面具有特殊的排列方式，使其在高温环境下的表现远超传统合金，因此特别适合用于喷气发动机或核反应堆。与传统合金不同，高熵合金不是由一种主导金属加上少量添加元素构成，而是包含多种金属，彼此的比例更加均衡。NIST物理学家张帆是项目的共同负责人之一，他指出高熵合金必须在原子级别实现彻底混合才算成功，而不同金属的密度、熔点和表面张力各不相同，在熔融金属冷却过程中很容易发生分离，这恰恰是阻碍这类高性能合金大规模实用化的核心瓶颈。
团队在《增材制造》期刊上描述了他们的解决方案。研究员Ho Yeung发现，如果让激光在金属粉末上移动时画出环形或椭圆形的轨迹，就能在熔化过程中像用勺子搅拌液体一样搅动金属熔池。这个方法听起来简单，但实现起来并不容易：商用3D打印机自带的软件无法生成这样的复杂扫描图案，因此团队不得不从零开始编写自定义控制程序。好在现有的激光粉末床熔融打印机不需要任何硬件改造，只需重新编程即可使用这种搅拌技术。为了验证效果，研究者将致密的高熵合金RHEA-19与轻质钛合金进行了混合，这两种材料的物理性质差异极大，原本属于极难混合的组合。他们用环形激光扫描两种金属的交界区域，然后借助阿贡国家实验室的先进光子源(APS)同步加速器产生的X射线对熔融和冷却过程进行实时观测。这套X射线光源的亮度大约是牙科X光的5000亿倍，通过X射线衍射图样可以看清金属冷却时原子结构的排列方式，从而验证激光搅拌是否确实带来了原子级别的均匀混合。
这项研究中最具挑战性的部分之一，是开发一种方法，以便在金属冷却过程中观察其内部在原子层面的变化。为此，美国国家标准与技术研究院(NIST)开创性地采用X射线衍射技术实现了这一目标。该方法通过让X射线穿过金属，使其与部分原子发生散射，随后分析另一侧形成的X射线衍射图谱，从而确定原子的排列方式。
这项技术的前景令人期待。最终的目标是让3D打印机能够像办公室打印机混合四种墨水调出任意颜色那样，直接用单质金属粉末在打印过程中现场合成所需合金，大幅降低材料成本并提高灵活性。合金成分甚至可以在单个部件内部连续渐变，例如喷气涡轮叶片就可以实现从根部到尖端的梯度材料，无需焊接或机械连接。Yeung表示，团队希望加速合金制造过程，而金属3D打印有潜力制造出过去被认为不可能实现的部件。
本文译自 techxplore，由 BALI 编辑发布。