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成果展示

對比單元素主導的傳統合金，多主元合金（Multi-principal element alloys, MPEA）表現出優異的協同性能。然而，金屬3D打印制造MPEA結構材料時，多元素的快速熔化和均勻混合還具有挑戰性，因為很難在足夠的熱源中同時實現高溫和均勻的溫度分布。基于此，美國馬里蘭大學胡良兵教授和Wei Xiong（共同通訊作者）等人報道了一種超高溫熔融打印平臺，該平臺作為制造面向3D打印的MPEA的熱源具有巨大潛力。通過焦耳加熱碳氈基材來實現加熱平臺，該基材從中間分開，形成一個壁厚較窄的柱。這種結構產生了一個電阻更高的區域，在柱的中心下方產生一個熱集中區。在傳統的制造過程中，多元素金屬粉末連續加載到熱集中區，其溫度可調至3000 ?K且分布均勻。對比傳統的聚焦高能束（微米級直徑），該加熱區具有更大的面積（約10 mm直徑），顯著促進了多元素金屬粉末的均勻熔化/混合。

金屬粉末在移動到加熱區過程中，通過以毫秒量級的輻射和傳導，被迅速加熱和熔化。當加熱柱的底部用碳氈密封，直到形成液態合金液滴，然后通過移除密封的碳氈將其從加熱區擠出，然后以數百K/s的速度冷卻。這種快速淬火有利于獲得均勻的多元素化學成分和具有均勻晶粒尺寸的微觀結構。此外，快速熔化有助于最大限度地減少加熱過程中揮發性金屬元素的損失。作者制作了具有均勻元素分布的單面心立方（FCC）相NiFeCrCo MPEA。其中，高加熱溫度和相對大的加熱區同時使快速均勻的熔化，隨后的冷卻能夠產生高度均勻的MPEA。此外，對比電弧熔化制造的傳統合金，該超高溫熔融印刷平臺制造的材料具有更小的均勻晶粒尺寸和更少的揮發性元素損失。總之，這種熱集中的高溫平臺顯示出快速制造MPEA結構材料以實現3D打印的強大潛力。

圖1. 多元素混合制備MPEAs的超高溫熔融打印平臺

背景介紹

多主元合金（MPEA）是指三種或三種以上主元素大量存在的合金，而傳統合金主要由一種元素組成。MPEA由于其顯著擴展的組合設計空間，而顯示出獨特的和廣泛可調的屬性。通過篩選合適的金屬組合，可以獲得協同的物理、化學和機械性能。然而，多種主要元素的均勻混合具有挑戰性，因為它需要強大的加熱源來充分熔化和均勻混合各種不同的元素，而這特別困難。

三維（3D）打印是一種制造具有良好性能和幾何復雜的MPEA結構產品的新興方法。在印刷過程中實現快速多元素熔化/混合，通常使用聚焦高能源相互作用并將金屬粉末熔化成致密產品。雖然這些加熱源的溫度足夠高，可以熔化多種元素，但它們只能實現較小的熔化區，這導致高度不均勻的溫度分布。由于快速凝固和溫度不均勻，元素的熱傳輸和擴散不足，導致MPEA產品的化學和微觀結構不均勻。在當前的MPEAs打印技術中，需要在足夠的高溫用于多元素熔化/混合和具有均勻溫度分布的最佳熔池，用于均勻元素擴散和MPEA的制備之間進行平衡。

圖文解讀

當施加電壓時，熱集中在柱區域，發出明亮的光，而電阻較低的碳氈邊緣保持黑暗。所得到的溫度分布均勻，通過調節外加功率可以很好地控制。作者模擬了六種常見元素的溫度變化，包括直徑為1 μm的Cr、Co、Fe、Ni、Al和Si粉末，結果表明對于所有六種金屬粉末，需要<6 ms達到其熔點。作者還模擬了加熱器溫度和粉末尺寸對這些金屬粉末溫度變化的影響。當加熱器溫度設置為3000 K、直徑為1 μm的金屬粉末可在<3 ms。

圖2. 熱集中區的溫度和金屬粉末的加熱和冷卻過程

作者通過以相等的摩爾比添加物理混合Ni、Fe、Cr和Co粉末（直徑約1 μm），制備單相塊狀NiFeCrCo MPEA，并將其送入2500 K的熱集中區。NiFeCrCo MPEA的映射結果顯示，在微觀尺度上元素完全擴散并在致密合金相內均勻分布。NiFeCrCo MPEA主要由FCC相（>97 vol.%）和其他小相（<3 vol.%）組成。通過測量FCC相的晶粒尺寸發現，FCC相晶粒尺寸分布均勻，平均粒徑約為27.9 μm。在NiFeCrCo MPEA中觀察到相對均勻的小晶粒尺寸，可能是由于加熱器均勻的溫度分布和快速的冷卻速率，導致MPEA晶粒經歷相似的溫度和相似的生長動力學。

圖3. NiFeCrCo MPEA的表征

將加熱器設置到~2000 K，作者打印了一種CuAlSn合金，其特點是組成元素的熔點差異很大。通過SEM和EDS分析，作者觀察到兩種主要相（富CuAl相和富Sn相共存。通過EBSD分析發現，Al和Cu合金形成一個主要的FCC相（~94.1 vol.%），以及少量的其他次要相包含Sn（~5.9 vol.%），與以fcc相為主的XRD結果一致。利用快速熔體打印方法能夠成功制備塊狀CuAlSn，因為在快速熔體過程中損耗可以忽略不計。多元素金屬粉末可以自動加載到超高溫穩定的打印頭中，并包裹碳氈加熱器，作為連續MPEA打印的集中熱源。基于帶電焦耳加熱原理，加熱器具有高時間分辨率（1 ms）和寬溫度（高達3000 K）和冷卻速率（高達10⁵ K/s）范圍。

圖4. 實際3D金屬打印的熱源示意圖

文獻信息

Ultrahigh-temperature melt printing of multi-principal element alloys. Nature Communications, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-34471-7.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34471-7.

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