高熵合金增材制造技术：材料革新与工业应用前沿

2025-03-14

高熵合金是由5种及以上主元金属元素（原子浓度5%-35%）构成的先进金属材料，其颠覆性性能源于四大热力学与动力学特性：

高熵效应
混合熵ΔSₘᵢₓ≥1.5R（R=8.314 J·mol⁻¹·K⁻¹），抑制金属间化合物生成，形成简单固溶体（BCC/FCC/HCP）。

晶格畸变
原子尺寸差异（δ≥6.5%）引发强烈应变场（ε>2%），位错运动能垒提升至传统合金的3-5倍。

迟滞扩散
多元素相互牵制使扩散系数D降低1-2个数量级（10⁻¹⁶ m²/s级），高温稳定性显著增强。

协同强化
多组元通过固溶强化、纳米析出相（L1₂/B2）、位错胞结构等多机制耦合，实现强度-韧性协同提升（典型屈服强度σ₀.₂≥1.2 GPa，延伸率δ≥15%）。

1. 激光粉末床熔化（L-PBF）

工艺特征
激光功率200-1000W，光斑直径30-100μm，层厚20-60μm，冷却速率达10⁶-10⁸ K/s

关键优势
成形精度±50μm（优于ASTM F2924标准）
致密度≥99.7%（氩气环境氧含量<100 ppm）
可制备最小壁厚0.3mm的薄壁结构

2. 定向能量沉积（DED）

工艺特征
同轴送粉速率5-20 g/min，熔覆层厚0.5-2mm，热影响区（HAZ）深度可控在200μm以内

核心价值
原位合金化能力（元素混合均匀度CV<5%）
梯度材料制备（成分过渡梯度≤5%/mm）
大型构件修复（最大成形尺寸≥5m）

三、高熵合金3D打印的应用

1. 航空航天：

发动机涡轮叶片（耐温1400℃，寿命延长3倍）

可重复使用火箭喷管（抗热震循环100次无裂纹）

2. 核能领域：

抗辐照燃料包壳（中子吸收截面降低50%）

核聚变第一壁材料（WTaVCrHEAs抵御等离子体冲刷）

3. 生物医疗：

抗菌骨科植入物（含Ag/Cu的HEAs，感染率降低90%）

个性化颅骨修复体（多孔结构促进细胞生长）

四、部分产品展示

激光粉末床熔化（L-PBF）高熵合金粉末（预合金）的晶体结构

定向能量沉积（DED）高熵合金粉末（预合金）的晶体结构

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