增材制造（AM）已经彻底改变了钢铁零件的制造，但并不是所有的钢都适合其独特的凝固特性。这种特性通常会导致柱状颗粒形成、微观结构不均匀性等问题，从而导致较差的机械性能、脆性和严重的各向异性。最近的研究采用接种或加工后处理来解决这个问题，但往往需要额外的成本和处理时间。

材料学网分享了昆士兰大学张明星教授团队的《Additive manufacturing of high-strength low-alloy AISI 4340 steel with an optimal strength-ductility-toughness trade-off》这篇研究，研究旨在验证一些钢材与增材制造本质上是兼容的，从而生产出天生坚固的部件，并在建成状态下即可使用。中等碳含量和较低的合金元素浓度使增材制造能够产生均匀而精细的贝氏体组织，元素偏析最小，避免了不稳定残余奥氏体的形成。这种钢的高AM可加工性通过在宽加工窗口内实现高密度化（> 99.9%）来证明，这可以通过适当调整加工参数来精确控制显微组织，诱导从上贝氏体到下贝氏体的转变，从而为特定应用定制机械性能。材料学网分享的昆士兰大学张明星教授团队的这篇研究，揭示了增材制造在加工高强度低合金钢方面的巨大潜力。

3D科学谷洞察

通过增材制造（AM）技术控制4340钢的微观组织，主要涉及对AM过程中的参数进行精确调整，以实现对材料冷却速率、微观结构形成和相变的有效控制。”

增材制造（AM）工艺已经彻底改变了航空航天、汽车和生物医学行业的工程部件制造。与锻造和铸造等传统方法相比，这些方法需要昂贵的模具/模具来制造几何复杂的零件，逐层制造路线允许直接、快速地制造具有高几何复杂性的部件，从而大大节省了生产时间。此外，用传统的制造工艺，包括铸造，合成钢基复合材料是非常困难的。但增材制造在制造钢基复合材料方面已被证明是有效的，作为增强剂，特别是颗粒，可以直接添加到原料中。此外，与传统钢相比，一些AM制造的钢表现出明显更高的强度，这是由于快速冷却导致的精细组织和位错强化。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

 

”

然而，这种制造路线也导致了极端的凝固条件，与传统铸造工艺明显不同，如反复加热和熔化，定向和快速凝固，以及大的热梯度（高达106 K/m）。这就产生了与传统铸件不同的显微结构特征。循环加热/冷却还会促进显著的显微组织不均匀性，特别是在具有高溶质含量的合金中。与这些微观结构特征相关的问题可能包括高开裂倾向、较差的延展性和严重的性能各向异性。

最近的研究采用接种处理和热处理后处理来调整获得的组织，从而减轻各向异性，提高这些钢的力学性能。然而，这些额外的步骤会产生额外的时间和成本，特别是对于大规模的工业生产。此外，后占有还可能改变增材制造快速凝固直接获得的超细组织，降低机械强度。因此，理想的做法是找到与增材制造内在兼容的钢材，生产出坚固耐用的部件，无需后处理即可在建成状态下使用。也没有适当的材料选择框架来评估钢材是否适合增材制造。

昆士兰大学张明星团队制定了战略性材料选择框架，并采用该框架来确定适合AM的商用钢材。在此框架下，AISI 4340超高强度低合金（HSLA）钢被确定为有前途的增材制造候选者。本工作表明，AISI 4340钢不仅具有具有较高的AM加工性，因此可以在较宽的加工参数窗口内制造高密度零件，但也具有特别适合激光AM的成分（中碳和低合金浓度）。通过对微观组织和力学性能演变的研究，探讨了通过调整增材制造工艺参数可以控制4340钢的力学性能，使优势组织由上贝氏体转变为下贝氏体。研究表明，通过调整打印参数，制备的4340钢的强度可以接近锻件的强度。此外，研究结果还证实，AM制造的4340钢不需要后处理热处理，因为与AM相关的自回火足以回火钢。这项工作可以揭示低合金钢增材制造在各种工程应用中的潜力。

相关研究成果以“Additive manufacturing of high-strength low-alloy AISI 4340 steel with an optimal strength-ductility-toughness trade-off”发表在Additive Manufacturing上
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860424005426

表1优化的增材制造工艺参数。

图1 AM制备4340钢的致密化行为：(a)总体相对密度随体积能量密度的变化。(b)所选代表性样品的纵向显微照片。(a)中的黄色点是在600、800、1000和1200mm /s四种扫描速度下处理的样品，密度令人满意。(b)中的橙色框表示在200w的固定激光功率下，进一步优化扫描速度对样品密度的影响。(b)中的黄色方框是在200 W的固定激光功率下，以600、800、1000和1200 mm/s四种扫描速度处理的样品，密度令人满意。

图1为不同工艺参数下AM – 4340钢试样的致密化行为。在研究的所有工艺参数中，3D打印钢都表现出无裂纹的特征。这表明其固有的高增材制造可加工性。在低激光功率和高扫描速度下构建的样品，对应于激光密度输入小于≤60 J/mm3，由于激光穿透和熔化不足而导致缺乏熔合的孔隙比例很高。样品密度随激光输入能量的增加而增加，可以通过增加激光功率或降低扫描速度来实现。60和140 J/mm3的能量输入范围（见图1a中的黄色框区）几乎完全消除了孔隙（图1b），并产生了几乎完全致密的产品（99.9%）。这种广泛的优化加工窗口表明了4340钢的显著AM可加工性（也称为3D打印性）。
在此范围之外进一步增加激光能量输入会导致样品的高孔隙率，这可能是由于过量的能量输入导致熔化状态从传导模式转变为锁孔模式。后者具有显著的毛细不稳定性和熔融池内的蒸发，产生高比例的锁孔孔。由于锁孔熔化模式固有的不稳定性，不断增加的激光能量输入导致熔池过热。这导致了熔化层极高的表面粗糙度和不可预测的致密化行为，如图1a所示，相对密度和能量输入之间的波动关系体现了这一点。

表2不同扫描速度下的相对密度与4340钢显微硬度的关系。

图2不同扫描速度下AM制备的4340钢样品的x射线衍射谱去噪。

采用XRD分析了AM – 4340钢的相组成。消噪后的XRD谱图如图2所示（原始数据见补充图S1），不同工艺参数下样品的相组成没有明显差异。初生相为α-铁素体，可为马氏体和/或贝氏体。此外，在低扫描速度（600mm /s）的样品中，还存在少量残余奥氏体。然而，由于XRD光谱中43◦和51◦处（图2蓝框处）FCC γ-奥氏体信号较弱，残余奥氏体体积分数的计算精度很低，可能低于XRD的检测限0.5 wt%。因此，没有提供残余奥氏体的体积分数。使用扫描电镜和透射电镜对AM制造的4340样品进行了详细的显微结构检查，如下面的部分所示。

图3（a – d）纵向EBSD-IPF图和（e -f）在不同扫描速度下生产的AM制造的4340钢的EBSD极点图：（a和e） 600 mm/s, (b和f) 800 mm/s, (c和g) 1000 mm/s和（d和h） 1200 mm/s，以及代表晶粒方向的IPF彩色键。(i) 4个样本内α′块的相应尺寸分布统计。BD：构建方向。

图4扫描速度为(a) 600 mm/s, (b) 800 mm/s, (c) 1000 mm/s, (d) 1200 mm/s的4340钢样品的SEM二次电子显微结构。(e) (a)中黄色标记区域的主要组成元素（Fe、C、Si、Mn、Mo、Ni）对应的高分辨率EDS图。BD：构建方向。

图5(a)透射电镜明场显微图；(b)TEM暗场，显示α′-板条之间析出的碳化物；(c)在扫描速度为600 mm/s的情况下，AM制造的4340钢(a)中黄色标记区域的SAED图案，沿[100]α′观察。(d)透射电镜明场显微图；(e)TEM-暗场显微照片，显示较细的碳化物（用蓝色箭头指出）分散在铁氧体板内（用白色虚线标记）；(f)以1200mm /s的扫描速度，沿[100]α′线观察到的(d)中黄色标记区域的SAED图案。

图6(a)在扫描速度为600 mm/s的情况下，以[011]α为扫描方向观察的4340钢的TEM亮场显微图，(a)中的绿色箭头表示薄膜结构。(b) (a)中红色标记区域的SAED模式；(c) (a)中蓝色标记区域的SAED模式。(d) (a)中黄色标记区域的高分辨率TEM （HRTEM）图像，插图显示了相应的快速傅里叶变换（FFT）模式；（e & f） (d)中浅蓝和浅绿标记区域的高倍图像，显示了(e)贝氏体块区和(f)薄膜区α′原子构型。

图7工程拉伸应力-应变曲线（附图）显示了采用不同扫描速度(a) 600 mm/s, (b) 800 mm/s, (c) 1000 mm/s和(d) 1200 mm/s生产的AM制造的4340钢样品的YS， UTS和EL数据。

图8采用不同扫描速度制备的4340钢试样的夏比冲击能。

表3 AM预制4340钢与变形4340钢力学性能比较。

图9扫描速度为1000 mm/s时，扫描电镜观察了4340钢的断裂形貌。（a – c）断裂面纵向图，（d – f）断裂面横向图。黄色虚线区域表示中心纤维区。蓝色箭头表示断裂扩展方向。高倍图像（b和e）微空洞聚结凹陷存在于中心纤维区，（c和f）微空洞聚结凹陷发现于剪切唇区。

图10比较目前AM制造的4340钢与其他先前报道的AM制造和传统加工的4340钢的拉伸性能，以及与其他AM制造的钢。(a)屈服强度(b)极限抗拉强度。L：纵向，T：横向。

图11目前AM制造的4340与其他先前报道的AM和传统加工的4340钢在对UTS的Charpy冲击能方面的比较以及与其他AM制造的钢。(a)屈服强度(b)极限抗拉强度。L：纵向，T：横向。

图12 AISI 4340钢的时间-温度-相变（TTT）图。紫色之字形箭头表示AM过程中具有循环和快速加热/冷却特征的冷却轨迹。

表4与普通AM钢的化学成分比较（重量百分比%）。

表5回火AM制造4340钢的拉伸性能。

图13工程拉伸应力-应变曲线与插入显示的YS， UTS和EL数据的AM制造的4340钢回火在不同的温度：(a) 205◦C, (b) 315◦C, (C) 425◦C, (d) 540◦C。

本研究优化了中碳、低合金、高强度4340钢的增材制造工艺参数，获得了具有纳米贝氏体组织、无织构的全致密构件。AISI 4340钢的适当元素组成使其能够解决钢AM中遇到的常见挑战，研究表明，只要增材制造工艺能充分保持密度，AISI 4340钢特别适合增材制造。主要成果如下：
(1)AISI 4340钢的碳含量约为0.4 wt%，合金元素含量相对较低。
(2)AISI 4340钢具有良好的AM加工性能，具有较宽的加工窗口，可生产密度高、微观结构精致、各向同性力学性能良好的AM制造部件。
(3)对于AISI 4340钢的增材制造，可以通过调整增材工艺参数来精确控制微观组织，促进上贝氏体为主成分和下贝氏体为主成分之间的转变，从而使各向同性力学性能可以根据特定的应用要求进行调整，而无需额外的后热处理工序。
(4) AM- 4340钢良好的可加工性和贝氏体相变也避免了缺陷、残余奥氏体膜、粗晶粒、织构区和柱状形貌等有害微观组织特征的形成，AM- 4340钢的力学性能表现出可以忽略的各向异性。
(5)AM制造的4340钢具有较好的强度、延展性和韧性，可与传统制造的4340钢相媲美，并超过大多数AM制造的钢。
(6)AM制造的4340钢构件可直接使用，无需后处理。

来源
材料学网 l

昆士兰大学《Additive Manufacturing》高强度低合金AISI 4340钢的增材制造，实现强度-塑性-韧性平衡！

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

德国法兰克福，2024 年 11 月 19 日 – 全球领先的负责任制造（AM）解决方案供应商、选择性激光烧结（SLS）3D 打印技术的先驱 EOS 推出了新型 EOS P3 NEXT 工业 3D 打印机，将聚合物生产率和效率提高到一个新水平，为 2024 Formnext 展会拉开了序幕。

EOS P3 NEXT 是根据广泛的市场反馈意见开发的，其生产率最高可提高 50%，投资收益率在同类产品中名列前茅。

我们倾听了客户和市场的声音，推出了我们认为为中型系列聚合物 SLS 生产树立新基准的产品，EOS P3 NEXT 是一台生产效率极高的设备，与 EOS PA 2220 HighReuse 和 ALM PA 950 HD 等只需极少刷新的新型材料相结合，EOS P3 NEXT 为口腔设备、眼镜、手术导板和结构件的 SLS 生产提供了最有力的支持。我们的聚合物解决方案具有悠久的医疗传统，二十多年来已被众多客户成功应用。

- Virginia Palacios | EOS 聚合物首席业务官

新型聚合物 3D 打印系统：EOS P3 NEXT

美国领先的工业服务提供商 ADDMAN 是首批探索 EOS P3 NEXT 的客户之一。该系统将为 ADDMAN HEAL 中心提供高生产力的增材制造资源，旨在促进创新，使医疗合作伙伴能够利用尖端的增材制造技术制造出高质量、可靠的医疗设备。

EOS P3 NEXT 是帮助我们满足 HEAL 中心严格要求的理想 3D 打印技术。它使我们能够在经过全面认证的生产环境中为规范的医疗市场制造应用产品。归根结底，我们的目标是始终以最高的质量和成本效益满足客户的认证生产需求，我们相信 EOS P3 NEXT 将帮助我们实现这一承诺。

- Tim Brasher | ADDMAN 市场开发部高级总监

EOS P3 NEXT 配备了集成监控模块，整体占地面积比 EOS P 396 略小，所需的占地面积更少，但仍能保持相同的构建体积（340x340x600mm）。它最大的变化在于：先进的软件更新和扫描算法、改进的刮刀速度、优化的加热装置以及新的外围设备，这些都是 EOS P3 NEXT 的优势所在：

• 提高生产率：通过加速预扫描、铺粉和冷却时间，优化工艺顺序，使生产率提高 50%
• 提高机器利用率：机器利用率高达 90%，确保机器、人力和地面空间得到有效利用，同时推动卓越运营
• 提高材料效率：ALM PA 950 HD 尼龙 12 材料的材料重复利用率为 80%；EOS PA 2220 高重复利用率材料的材料重复利用率为 70%
• 降低总拥有成本：总拥有成本最多可降低 30%
• 提高零件质量：通过灵活的参数调整能力和材料多样性，提高尺寸精度、表面光洁度和机械零件性能
• 用户友好的“打印到零件”工作流程：简化生产流程，包括零件的拆包和精加工以及材料的筛分和混合，确保安全高效的操作
• 为监管市场做好准备：生物兼容材料、经现场验证的技术、EOS 鉴定服务和质量保证程序

EOS P3 NEXT速度更快、效率更高，而且采用了新型材料，为免工具制造开辟了新的可能性。该系统为用户提供了端到端的制造解决方案，简化了生产流程，并为操作员创建了更加友好的用户界面。无论是否有AM经验，该系统都能让您轻松实现工业聚合物3D打印。

- Alexander Prillwitz | EOS P3 NEXT产品经理

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

以下文章来源于中国有色金属学报 ，作者中国有色金属学报

根据3D科学谷的市场洞察，在全球形状记忆合金市场正处于稳步增长的阶段，特别是在亚太地区和中国市场，增长潜力巨大。同时，技术创新和应用领域的扩展将继续推动市场的进一步发展。例如，通过优化增材制造过程中的工艺参数，如激光功率、扫描速度、扫描间距等，可以控制熔池、晶粒、析出物、缺陷等的组织特点，进而影响合金的力学性能、相变温度、形状记忆效应、超弹性和表面质量。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

本期，借助中国有色金属学报的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略关于关于增材制造形状记忆合金的最新进展。

3D科学谷洞察

“形状记忆合金在多个细分领域有着独特的应用优势，增材制造技术能够精确构筑具备复杂几何构型的形状记忆合金，此类合金在航空航天、生物医学、电子机械等尖端领域展现出巨大的应用潜力与价值。例如，当前市场关注热点的机器人组件开发应用，可以提高机器人性能；在航空航天领域，形状记忆合金已有五十多年的应用历史；在生物医学领域，形状记忆合金的应用包括牙科植入术、活塞、导管等。增材制造技术（如选区激光熔化增材制造技术、激光粉末床融合技术、4D打印技术）的发展，提升了形状记忆合金的成分精度、超弹性、形状记忆性能等特性，并拓展了合金的加工使用范围。通过调节合金成分、控制晶粒尺寸和引入沉淀相，有望制备出更符合性能要求的记忆合金材料。”

 研究背景

增材制造作为一种革命性的技术，能够以前所未有的自由度制造复杂部件，为现代制造业的发展以及传统制造业的转型提供了巨大契机。受其兼具灵活性与可控性特点的启发，增材制造技术也备受形状记忆合金领域青睐。然而，制备具有理想的微观结构及性能、并兼具功能性的形状记忆合金是一项艰巨的挑战。如今，随着3D打印技术的升级，形状记忆合金类型的拓展以及热处理工艺的应用，实现了多种类型、多种性能的增材制造形状记忆合金有效的制备与调控。

 文章亮点

本篇论文从组织特征、性能和前景的角度综述了增材制造形状记忆合金的研究进展。首先，介绍了形状记忆合金增材制造的技术特点，总结了增材制造形状记忆合金的微观结构特征。然后，揭示了相变行为、力学性能和功能特性的影响因素与调整策略。最终，提出了未来该领域的研究方向与发展前景。

 图文解析

1. 形状记忆合金类型与增材制造技术

增材制造是一种以预先设计的三维模型为基础，逐层构造实现冶金结合的新技术，表现出设计形状多样、节省原材料、成型速度快及加工成本低等传统制造方法无法企及的优势。因此，这种智能方法在满足高效率个性化定制需求方面具有巨大潜力。由于展现出的独特能力，该技术在形状记忆合金领域备受青睐。迄今为止，已被成功制备的增材制造形状记忆合金包括镍钛基、铜基、铁基形状记忆合金等，如图1所示。

图1 增材制造形状记忆合金类型

代表性的形状记忆合金增材制造技术包括选区激光熔融(SLM)、电子束选区熔化(EBM)、激光定向能量沉积(LDED)与电弧增材制造(WAAM)，具体的特点列在图2中。

图2代表性增材制造方法，(a)按原理和不同热源进行分类，(b)增材制造技术特点

2. 增材制造形状记忆合金的组织特征

增材制造的形状记忆合金存在未熔合、锁孔、球化以及裂纹等缺陷，选择合适的参数可以获得更高的致密度。在一定范围内，增加激光功率或降低扫描速率能够实现更高的相对密度，如图3所示。此外，能量密度的合理调控能够改变熔化与凝固行为、轨迹特征与层间连续性，从而成功生产出接近完全致密的零件。

图3 不同激光功率和扫描速率打印的Ni50.2Ti49.8合金，(a)SEM图像，(b)相对密度变化

利用增材制造技术制备的形状记忆合金会经历动态的循环加热与冷却过程，这对熔池与晶粒产生了复杂的影响。沿构建方向的形状记忆合金中能够广泛观察到外延凝固现象，它的具体表现为柱状晶粒与[001]织构的形成。在一定的凝固条件下，等轴晶粒在柱状晶粒生长的终止处出现。此外，晶粒特征与能量密度密切相关。如图4所示，随着能量密度增加，Fe-17Mn-5Si-10Cr-4Ni合金从柱状晶(平均晶粒尺寸约为60µm)变为等轴晶(直径小于10µm)，且晶粒取向具有明显变化。

图4 增材制造Fe-Mn-Si-Ni-(V，C)合金的EBSD分析，(a)和(c)低能量密度，(b)和(d)高能量密度

3. 增材制造形状记忆合金的相变行为

图5总结了增材制造形状记忆合金的转变温度。对于同一类型合金，转变温度仍存在明显的差异，这归因于打印过程中元素的蒸发与烧损造的成分不均匀性以及微观结构（晶粒尺寸、沉淀相等）的强烈变化。因此，改变扫描参数能够实现相变温度的有效调控。

图5 增材制造形状记忆合金的转变温度

4. 增材制造形状记忆合金的性能

图6总结了室温下增材制造形状记忆合金的抗拉强度、抗压强度与伸长率的关系。可以观察到对于相同成分的合金，性能在一定范围内变化，这取决于微观结构与相变行为。因此，通过不同的扫描参数或热处理方法能够改变合金的晶粒、沉淀与位错等微观结构，从而影响相变行为，提高拉伸与压缩性能。

图6 增材制造形状记忆合金的机械性能，(a)抗拉强度与拉伸应变，(b)抗压强度与压缩应变

通过表1可知，增材制造形状记忆合金具有良好的超弹性与形状记忆效应。记忆特性取决于组织特征，因此可以通过改变扫描参数与热处理工艺进行调控。下面总结了提升超弹性与形状记忆特性的有效方法：（1）从元素含量角度考虑，打印过程中元素的蒸发或沉淀的形成影响相变，因此调整元素含量有效提升恢复能力。（2）从晶粒角度考虑，可以改变扫描策略或取样方式增强性能。（3）从沉淀、位错、孪晶与层错考虑，利用热处理消除残余热应力并且诱发有利结构的形成，进而获得优异性能。

表1 增材制造形状记忆合金形状记忆效应与超弹性

应力诱发马氏体相变能够引起形状记忆合金的弹热效应。这种极其重要的自冷却行为对固体冷却技术的发展起到决定性的作用。Hou等人利用激光定向能量沉积技术制备NiTi形状记忆合金时加入非转变金属间相Ni3Ti，探究了沉淀对弹热效应的贡献。通过对图7中的应力应变曲线分析可知，合金表现出准线性行为和显著降低的滞后，并且在超过100万次循环中都具有稳定的机械性能和弹热响应。因此，通过增材制造技术能够制造出高效、低滞后弹性热冷却材料。

图7 弹性效应的稳定性，(a)压缩应力-应变曲线，(b)不同应变下的弹性冷却

5. 前景

增材制造技术，能够精确构筑具备复杂几何构型的形状记忆合金，如图8所展示的精细多孔结构。此类结构具有独特性质，在航空航天、生物医学、电子机械等尖端领域展现出巨大的应用潜力与价值。

此外，本篇综述论文揭示了材料性能优化的无限可能，但要全面解锁形状记忆合金在跨学科领域的广泛应用潜能，亟需在材料、技术、性能、方法这四个关键维度实现突破性进展。

图8 增材制造形状记忆合金的多孔结构

 研究结论

(1)现阶段，在关于增材制造形状记忆合金的研究中，优先采用粉末床熔融和直接能量沉积方法，通过选择较大的激光功率或较小的扫描速率构建具有较高相对密度的形状记忆合金。由于3D打印过程中温度梯度和冷却速度的差异，形状记忆合金具有独特的外延凝固现象，具体表现为柱状晶粒和[0 0 1]晶粒取向的形成。通过控制工艺参数和加工策略，可以获得理想的微观结构。

(2)合金成分和扫描参数的微小变化会引起相变行为的强烈响应，例如平衡状态下固溶体相和沉淀相的成分以及相变温度。特别地，相变温度的变化强烈依赖于成分的不均匀性，主要归因于在打印过程中元素的蒸发、元素的烧损、沉淀的形成以及杂质元素的混合。

(3)通过增材制造可以制备高性能的形状记忆合金。首先，合理地选择扫描参数、取样位置和热处理工艺，可促进细晶粒强化、析出强化和位错强化，在不损失过多断裂应变的情况下有效提高强度。其次，通过元素成分、扫描策略和热处理方法影响沉淀相、位错、孪晶和层错的综合作用，从而获得优异稳定的形状记忆效应和超弹性。最后，通过调节合金成分、控制晶粒尺寸和引入沉淀相，有望制备出具有大潜热、熵变和低滞后的弹性冷却材料。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

(4)利用增材制造技术已经制备复杂结构（多孔结构）的形状记忆合金，在航空航天、生物医疗等领域具有光明的应用前景。但是随科技的发展，为满足增材制造形状记忆合金在极端条件下的适用性，还需要实现在材料、技术、性能与方法等方面的进一步突破。

来源
中国有色金属学报 l

哈尔滨工程大学傅宇东、高卫红团队：增材制造形状记忆合金的最新进展 |《中国有色金属学报》英文版重点推荐文章

Citation
Yu-xi YANG, Wei-hong GAO, Bin SUN, Yu-dong FU, Xiang-long MENG. Recent advances on additive manufactured shape memory alloys[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2024, 34 (7): 2045-2073.

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

根据3D科学谷的市场洞察，燃油雾化在航空发动机预混燃烧过程中起着至关重要的作用，它直接影响燃烧效率、燃烧稳定性以及排放物的生成。雾化过程涉及到液体在喷嘴出口处受到空气扰动力和液体表面张力的共同作用，导致液体发生破碎，形成液线状、液带状以及液环状液滴，完成一次雾化过程。随后，这些液滴在空气扰动力和液体表面张力的共同作用下继续破碎形成更小的液滴，完成整个雾化过程。

燃油喷嘴是决定供油流量、稳定性、浓度分布、雾化细度与均匀度的关键部件，对燃油喷嘴的主要结构和参数进行优化具有重要的理论研究意义和工程应用价值，燃油喷嘴内部流动和结构参数（例如扩张角、直线段长度、旋流槽升角和旋流槽个数等）对雾化特性有显著影响。

根据3D科学谷的市场观察，微细激光粉末床熔化（μ-LPBF）技术是一种增材制造技术，能够制造具有高精度和表面粗糙度的复杂结构。这项技术被应用于航空发动机燃油喷嘴的结构优化，以提高其在低流量工况下的周向均匀性。

近日，上海科技大学创意与艺术学院智造系统工程中心（CASE）的杨锐课题组进行了燃油喷嘴优化的研究，成果发表在2024年10月7日的《流体物理》（Physics of Fluids）期刊上。

▲https://doi.org/10.1063/5.0230299

3D科学谷洞察

“燃油喷嘴的雾化过程是航空发动机燃烧室中的一个重要环节，它涉及到将液态燃料转化为细小的雾化颗粒，以实现与空气的高效混合并促进燃烧。燃油喷嘴的雾化过程是一个复杂的物理过程，涉及到液体动力学、热力学和流体力学等多个领域。增材制造技术的最高精度在μm量级，完全能够满足尺寸在mm量级上的喷嘴加工限制要求。此增材制造技术的应用在喷嘴研制领域的优势体现在减少加工装配工序的个数、实现多种复杂结构的设计方案、保证密封要求、尺寸精度更高以及加工周期短等方面。通过结构优化和增材制造技术的应用，可以显著提升燃油喷嘴的雾化性能，从而提高航空发动机的燃烧效率和稳定性。”

 动力学优化

近日，上海科技大学创意与艺术学院智造系统工程中心（CASE）杨锐课题组针对航空发动机燃油喷嘴结构，采用耦合欧拉-拉格朗日流体力学算法对下游雾化过程进行了动力学优化，以在低流量工况下实现更高的周向均匀性。研究团队使用微细激光粉末床熔化（μ-LPBF, Laser Powder Bed Fusion）技术制造喷嘴结构，并通过与原型结构的实验对比验证了其优化效果。该研究成果以题为“Dynamics Optimization of Coupling Atomization Process in an Injector Achieved by Novel Micro Laser Powder Bed Fusion”的论文发表在2024年10月7日的国际权威期刊《流体物理》（Physics of Fluids）上。

▲FIG.4 (a) Computational grid. (b) Y-plus for prototype injector.

▲FIG.11 Swirl groove and gas–liquid distribution of prototype swirler. (a) Prototype swirler. (b) Gas–liquid distribution.

▲FIG.12 Comparison between prototype swirler and optimized swirler. (a) Prototype swirler. (b) Optimize swirler.

研究首先利用了Volume of Fluid-Discrete Phase Method耦合多相流算法，结合大涡模拟湍流（Large-eddy Simulation）模型，针对某型燃油喷喷嘴发现了其在低流量条件下遇到的周向雾化不均匀的问题，这可能对发动机启动性能产生负面影响。

通过细致剖析，研究人员发现，原型喷油器由于结构因素，在喷嘴旋流器支撑结构下方和旋流槽内产生了涡流和毛细化气泡。这些气泡随燃油流动下游，不断拉伸、变形并最终破裂，导致液膜产生显著波动，从而在原型喷油器中引起较大的周向不均匀性。

为应对这一挑战，研究人员利用增材制造技术的优势，以下游喉道横截面壁面压力和流速分布为监测目标，对喷嘴的旋流器结构进行了三维结构优化。通过设计多扭度旋流槽，构建了空间三维流道，有效缓解了毛细气泡空化现象。对比计算结果表明，优化后的喷嘴在多数上下游气动参数方面与原型喷嘴保持相似，但在低流量条件下的周向均匀性显著改善，从41.48%降低至14.69%。

▲FIG.21 Numerical results of no airflow. (a) Non-uniformity phenomenon. (b) Gas–liquid distribution.

优化后的旋流器结构采用μ-LPBF技术进行制造，实现了流道结构的高尺寸精度（±0.025 μm）和出色的表面粗糙度（Ra优于3.2 μm），符合工况要求。在雾化性能测试中，比较了传统旋流器结构与μ-LPBF成型的旋流器燃油喷嘴。

测试结果显示，优化后的结构在低流量条件下燃油分布的均匀性显著提升，均匀性偏差从42.31%降低至28.76%。这一成果进一步验证了增材制造技术赋能结构优化设计的有效性。

该跨学科研究不仅展示了增材制造技术在微细结构制备方面的潜力，还为优化燃油喷嘴结构设计提供了新的思路。随着增材制造技术的不断进步，预计其将逐步应用于航空发动机和燃气轮机领域的先进喷射系统设计与制造中。

上海科技大学是该研究的第一完成单位，北京航空航天大学、中科院金属研究所分别为第二、第三单位。智造系统工程中心赵荣发和翟梓融老师为共同第一作者，王韦昊老师为通讯作者。

来源
上海科技大学创艺学院智造系统工程中心（CASE）是上海科技大学研究中心的一部分。CASE开展材料、物理、自动化控制、计算机科学、电子工程、机械工程等跨学科基础研究。CASE专注于自适应3D打印材料、结构设计和过程集成、表面工程、自适应修复、精密检测与自动化、数字化装配等领域。通过渐进式和变革性的研究和集成应用，CASE旨在构建基于数据、物联网和制造全过程闭环反馈的自适应制造系统，形成高端智能制造技术平台，致力于高端设计制造领域的终端制造突破和创新。

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

近日，根据德国卡尔斯鲁厄理工学院的发现，通过启用更精确的预补偿，有助于在各种应用中开发具有改进性能的微光学元件。技术的核心在于通过高分辨率成像来识别并补偿打印过程中的偏差，从而提升微光学元件的形状精度和光学性能。借助MNTech纳微领航的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略关于共聚焦光学显微镜对3D激光打印微光学元件进行迭代预补偿的技术突破。

▲论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202309356

3D科学谷洞察

通过双光子聚合技术，可以精确控制光电子器件的微观结构，从而提高其性能，如提高光电子转换效率、增强信号传输速度等。这对于光通信、光存储、传感器等领域的应用具有重要意义。”

这项研究是由德国卡尔斯鲁厄理工学院的Jannis Weinacker所在团队进行的，发表于Advanced Functional Materials。他们致力于开发一种利用共聚焦光学显微镜对3D激光打印微光学元件进行迭代预补偿的技术，以提高打印精度和光学性能。

近年来，3D激光纳米打印技术在制造具有光学级表面质量的透明聚合物结构方面取得了显著进展，为微光学元件的灵活制造开辟了广阔的应用前景。这项技术利用飞秒激光诱导光聚合，将液态光刻胶材料在焦点处固化，通过精确控制激光束的路径和能量，逐层构建出所需的微光学结构。团队使用了Nanoscribe Quantum X仪器，这是一款高精度3D激光直写设备，能够实现纳米级的分辨率和亚微米级的结构精度。然而，即使是最先进的3D双光子激光打印系统，仍然存在打印结构与目标结构之间的偏差，限制了其在对精度要求较高的应用中的性能。团队提出了一种创新的预补偿方法，该方法利用共聚焦光学显微镜对打印结构进行高分辨率成像，并通过迭代反馈循环改进打印精度。

3D激光打印作为一种先进的制造技术，允许以高精度和复杂性创建三维物体。在微光学领域，它被用于制造各种元件，如微透镜、衍射光学元件和光栅。然而，该过程的精度受到打印结构和目标结构之间偏差的影响，这些偏差可能由多种因素引起，包括材料收缩、激光束轮廓变化以及打印过程中的环境条件。为了解决这个问题，预补偿技术应运而生。预补偿是一种广泛使用的技术，用于提高3D打印精度。它涉及在打印前修改设计，以补偿预期偏差。

传统的预补偿方法通常依赖于对简单几何形状（如立方体）的测量。然而，这些方法对于复杂的微光学元件来说是不够的，因为它们的精度可能会受到元件复杂几何形状的影响。共聚焦光学显微镜作为一种高分辨率成像技术，可以提供有关3D打印元件表面形貌的详细信息，为更精确的预补偿提供了可能。通过使用共聚焦光学显微镜测量打印结构和目标结构之间的差异，可以获得有价值的数据来改进预补偿过程。

尽管共聚焦光学显微镜提供了高精度的测量数据，但仍然存在一些挑战需要克服。首先，即使使用预补偿算法，打印结构与目标结构之间的系统偏差通常仍大于不可控或“统计”偏差。其次，表征测量本身的噪声和系统误差，以及表征装置和打印机坐标系之间不必要的平移和旋转，都会影响预补偿的精度。此外，设计坐标系和测量数据的精确对准也至关重要。对准不正确会导致计算错误，并在后续打印步骤中引入伪影。局部偏差，如拼接误差和打印光束路径中的高阶光学像差，可能难以纠正。另外，共聚焦测量中的局部误差（例如灰尘颗粒）不应进行预补偿，因为它们与打印过程无关，并且不会系统地出现。

团队提出了一种利用反射共聚焦光学高度测量作为反馈的预补偿技术。该技术针对2.5D结构进行了优化，这些结构在工业中特别受关注，因为激光打印结构可以作为大规模复制的“母版”。预补偿程序包括以下步骤：首先，使用Nanoscribe Quantum X仪器和IP-S光刻胶打印2.5D微光学元件。然后，使用光学显微镜测量打印和显影后的样品的形貌。最后执行预补偿计算。

这项研究的关键创新在于：首先，通过设计数据与共聚焦光学测量数据的图像互相关，确定两个数据集之间的位移，精确到单个像素级别。该算法还可以考虑两个坐标系之间的旋转以及横向方向上的轻微拉伸。其次，由于不假设任何解析模型，因此差异不是针对任何函数参数计算的，而是在两个数据集之间逐像素计算的。因此，该方法还可以校正局部偏差。最后，为了消除测量误差对下一次迭代打印结构的不利影响，应用特定滤波器以特定顺序减少此类误差和测量噪声的大小，而不会消除来自打印本身的偏差。

为了评估所提出的预补偿技术的有效性，团队对两种不同类型的微光学元件进行了实验：折射光学元件（微透镜阵列）和衍射光学元件（DOE）。结果表明，即使是单次预补偿迭代也能显著提高形状精度和光学性能。对于衍射光学元件来说，这种质量提升对其预期应用至关重要。虽然第二次预补偿迭代可以进一步改善结果，但进一步的改进目前受到可用的器件形貌表征方法质量的限制。

总而言之，这项研究提出了一种灵活且有效的预补偿3D激光打印微光学元件的程序。该方法利用共聚焦光学显微镜和图像互相关分析来实现高精度对准和像素级校正。通过减少测量误差的影响并解决局部偏差，该技术可以显著提高打印元件的形状精度和光学性能。此研究成果对3D激光打印微光学元件的制造具有重要意义。通过启用更精确的预补偿，该技术有助于在各种应用中开发具有改进性能的微光学元件。此外，所开发的程序Quandalf可供社区公开使用，促进该领域的进一步研究和开发。

来源
MNTech微纳领航 l

共聚焦显微镜引导的3D激光打印微光学元件迭代预补偿

链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202309356

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

根据3D科学谷的市场洞察，计算模拟方法，尤其是基于相图计算（CALPHAD）的方法，可以预测并筛选出具有所需微观结构和性能的潜在高熵合金。计算模拟工具，如CALPHAD相图计算、有限元法（FEM）、计算流体动力学（CFD）和分子动力学（MD）模拟，能够帮助研究人员精准预测材料的微观结构、力学性能和热物理特性，从而优化激光粉床熔融工艺参数。这些方法有效降低了试错成本，提升了打印质量。

本期，借助材料人的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略3D打印高熵合金设计、制备、微观组织和性能的综述！尤其是如何通过多种计算模拟方法，加速合金的筛选与优化。

▲论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100834

3D科学谷洞察

“计算模拟在增材制造高熵合金中的作用是多方面的，它不仅能够加速新合金的发现和优化，还能深入理解材料的微观结构与性能之间的关系，为高熵合金的研究和应用提供了强有力的工具。”

 01【导读】

近年来，金属3D打印技术在制造复杂金属结构方面取得了显著进展，而高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)凭借其卓越的机械、物理和化学特性，已成为金属增材制造领域的热门材料。由新加坡南洋理工大学的周琨教授团队撰写的最新综述，聚焦激光粉床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技术在高熵合金领域的应用，系统总结了不同种类高熵合金的设计策略、粉末制备方法、打印态微观组织、性能表现以及潜在应用前景。
该综述以“Recent progress in high-entropy alloys for laser powder bed fusion: Design，processing, microstructure, and performance”为题，发表在材料综述的顶刊《Materials Science & Engineering R：Reports》上。文章旨在为研究人员提供宝贵参考，助力开发高性能高熵合金，推动这一新兴材料在增材制造中的应用与发展。

 02【内容简介】

高熵合金是一类新型合金，通过在接近等原子比的成分下混合多种主要元素，展现出优异的强度、韧性、耐腐蚀和抗辐射性能。相比传统合金，高熵合金具备更广泛的设计空间，适合应用于航空航天、能源和生物医学等高性能需求领域。然而，由于组成复杂与多元素混合带来的材料制备和稳定性问题，传统制造技术难以实现有效加工。激光粉床熔融技术凭借其高冷却速率、极致的几何设计自由度和可控的微观结构调控，为研究人员提供了克服这些挑战的有力工具。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

该篇综述将高熵合金分为七种类别：3d过渡金属高熵合金、共晶高熵合金、沉淀强化高熵合金、耐火高熵合金、亚稳态高熵合金、间隙高熵合金和高熵基复合材料 （如图1）。研究中详细分析了每种高熵合金在不同应用中的微观结构特征及其制造过程中的技术挑战。例如，通过激光粉床熔融制备的共晶高熵合金，具有优良的打印精度和机械强度，广泛应用于对力学性能和轻量化有极高要求的工程领域。

▲图1、激光粉床熔融高熵合金的设计分类

由于实验的高昂成本且耗时，文章总结了多种计算模拟方法，加速了合金的筛选与优化。综述详细介绍了多种计算模拟工具（如图2），包括CALPHAD相图计算、有限元法（FEM）、计算流体动力学（CFD）和分子动力学（MD）模拟。通过这些工具，研究人员能够精准预测材料的微观结构、力学性能和热物理特性，帮助优化激光粉床熔融工艺参数。这些方法不仅有效降低了试错成本，还显著提升了打印质量，为高熵合金的增材制造提供了可靠的理论支撑。

▲图2、计算模拟激光粉床熔融高熵合金的成分设计和工艺优化

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

高熵合金的微观组织对其性能具有决定性影响。激光粉床熔融工艺的高冷却速率使得高熵合金在打印过程中形成独特的微观结构。例如，3d过渡金属高熵合金通常形成单相面心立方（FCC）结构，展现出优异的强度和韧性平衡。此外，共晶高熵合金由于其特有的双相微观结构（如FCC和BCC相交替排列），在满足强度要求的同时提高了延展性。沉淀强化高熵合金通过在合金基体中形成精细的析出物，提升了材料的硬度和抗蠕变性能，非常适合高温应用。耐火高熵合金则展示了极高的熔点和优异的耐磨损性，在极端环境应用中表现突出。文章还指出，LPBF过程中的残余应力和热处理策略对于控制这些微观结构起着重要作用。

▲图3、激光粉床熔融各类高熵合金的拉伸性能总结

3D打印的高熵合金在强度和延展性平衡方面表现出色（如图3），使其在承受动态载荷和冲击时能够有效抵抗断裂。其强化机制包括析出强化、形变诱导相变等。在极端环境中，耐火高熵合金的高熔点和热稳定性表现尤为突出，适合应用于高温结构部件。共晶高熵合金因其双相结构和较好的导热性，适用于对热管理要求较高的应用场合。此外，间隙高熵合金由于添加了碳、氮等小原子元素，提升了材料的硬度和耐磨性，在高磨损条件下表现优异。高熵合金在腐蚀和辐射等严苛环境下同样表现出色。例如，3d过渡金属高熵合金的多元素混合效应（如惰性保护效应）提升了其耐腐蚀能力，适合于海洋和化工领域的腐蚀性环境。研究还发现，LPBF工艺中的高冷却速率有利于抑制有害相的析出，从而增强了材料的耐辐射性能。这些特性使高熵合金在极端应用环境中具备巨大的应用潜力。

▲图4、激光粉床熔融高熵合金的工业应用前景示例

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

综述中还讨论了激光粉床熔融制备的高熵合金在能源、航空航天和生物医学领域的广泛应用（图4）。例如，3d过渡金属高熵合金适用于制造航空器零部件的制造，共晶高熵合金则适合用于生物医学植入物的个性化定制。未来，随着计算模拟技术和机器学习的成熟，高熵合金的开发速度将进一步加快，这将为增材制造技术在高性能材料领域的应用开辟更多可能。

 03【团队介绍】

新加坡南洋理工大学周琨教授课题组依托于惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D打印中心，长期从事多种增材制造技术（3D打印）研究。目前聚焦于功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。

来源
材料人 l

南洋理工周琨团队顶刊综述：3D打印高熵合金

链接
https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100834

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷

当然，数米级设备并非意味着设备越大越好，如何实现经济效益的平衡，如何实现质量管理的高要求，在这方面，铂力特的BLT-S825诠释了设备体积减小，成形精度提高的能力进阶。

本期，3D科学谷与谷友近距离了解铂力特BLT-S825是如何重新定义大尺寸零件制造成本效益性价比的。

▲ BLT-S800系列
© 铂力特

 光曜九霄，折桂登高

2021年TCT，铂力特重磅推出面向航空航天发动机回转体结构零部件制造的十激光设备BLT-S800。依托铂力特西安总部智能制造工厂40余台BLT-S800连续多年稳定运行经验，铂力特于2023年推出聚焦于大尺寸长轴型零件的平台化方案BLT-S815，成形高度增加至1500mm，并在同年TCT上推出BLT-S800全新 20光方案。经过进一步的进行技术研发与迭代优化，铂力特于第十五届中国航展首发针对超高尺寸零部件一体化制造的数米级24光设备BLT-S825。

BLT-S825的成形尺寸为850mm×850mm×2500mm（W×D×H），净成形高度突破2.5m，满足超高尺寸零部件一体化成形需求。BLT-S825设备经过工程化应用检验，其最新工程化应用概念设计案例“吊挂”也亮相航展铂力特展位。

吊挂为大尺寸框架类零件，以往多由铸造、焊接的方式制造，随着零件尺寸的增加，利用压铸机及模具一体式压铸成形的难度与成本也大大增加。铂力特对吊挂零件机进行了结构优化设计，采用了大量的镂空结构，选用了重量低强度高的BLT-TA15钛合金材料，在保证功能性与强度的前提下大大降低了零件重量，实现了大跨度的连接功能。吊挂零件尺寸为500mm×200mm×2350mm，利用BLT-S825设备一体成形，体现出设备的工艺稳定性。

▲高度超2m的吊挂

01 24激光配置，成形更高效

BLT-S825配备有24个激光器，相当于在400mm幅面设备上布置六激光，BLT-S825支持100μm大层厚打印，最大成形效率可达870cm³/h，成形更高效。

BLT-S825搭载的BLT-BP可实现超高尺寸零部件的一次性高效剖分，缩短打印前的剖分时间和准备时间。以某高度2.4m零件为例，零件的剖分数据量为32.56G，而剖分用时仅1.5小时。

BLT-S825沿用了大尺寸设备单刮刀双向变速铺粉策略，解决了大型设备双刮刀调平费时费力的问题。在打印过程中，BLT-S825可智能识别零件轮廓调整铺粉速度，实现多段变速铺粉，单层铺粉效率较定速铺粉可提高近30%。最终，利用BLT-S825成形该零件的时间仅9天。

02 成熟方案再升级，确保成形质量

铂力特分别于2023年TCT展示了20光BLT-S800-配合顶部吹风的方案， 2024年TCT展示了20光BLT-S800现场20光同步出光打印。第十五届中国航展的现场也带来了16光BLT-S600光配合顶部出光的吹风方案，现场高效打印。

BLT-S825沿用铂力特成熟的光学方案和顶部吹风方案，可实现4排光同时出光高效成形。BLT-S825气密性良好，工作进气消耗低于10L/min，设备配置的顶部吹风方案，风场均匀性高，镜头洁净保持超700小时，成形更稳定。以吊挂为例，BLT-S825可实现吊挂零部件的一炉多件打印，成形零件一致性高，不同区域零件各项性能指标偏差5%以内。

BLT-S825成形高度超高，深径比将近3：1，传统拼缸方式生产的成形缸变形风险高，在成形过程中更容易造成成形平台精度丢失，进而造成零件加工尺寸超差。铂力特对成形缸进行了结构优化设计，在加固缸体的同时，实现缸体大幅减重，优化后的缸体通过3D打印技术一体成形，保障了成形缸的强度和制造一致性。此外，BLT-S825内部广泛经过优化设计的金属3D打印设备件，提升了设备集成度与耐用性。

铂力特从2017年开始储备超高Z轴的设计经验，先后开发了BLT-S515、BLT-S615、BLT-S815、BLT-S1000等成形高度高达1.5m的设备。基于200余台高成形高度设备的长期运行经验，不断迭代，铂力特于2023年设计开发出成形高度高达2.5m的装备。

BLT-S825设备沿用铂力特多年积累和优化迭代的成形平台设计经验，使用双轴伺服驱动配合高精度光栅尺实现成形平台的闭环控制。在保证超高成形尺寸、运行精度的同时，铂力特设备研发团队控制设备整机高度，设备的外形尺寸高度仅5.5米，满足一般厂房的装机要求。

BLT-S825配置了高品质质量监控系统，包括BLT-铺粉检测、BLT-三维重建、BLT-视频监控等，可以实现打印过程中关键参数监控、图像采集、数据分析和全程视频监控，便于过程干预与事后质量追溯。

03 成熟配置，助力连续生产

BLT-S825配备并联长效过滤系统，在打印过程中当前工作滤芯达到清灰条件时，可以实现自动反吹清洁，并自动切换另一组滤芯继续打印，实现真正的连续不间断运行；灰渣桶等配置采用安全设计，可以在惰性氛围下湿化处理，实现不停机安全更换灰桶，有效避免滤芯反吹清洁和灰渣桶处理导致的停机风险，满足大尺寸设备连续生产的需求，提高制造效率，降低制造成本。

BLT-S825可配备集成式或分体式粉末循环系统。集成式粉末循环方案一套系统实现打印过程中的自动粉末回收、筛分和供应，更有效实现资源配置，降低成本与能耗；分体式粉末循环系统支持一对多灵活配置，满足多样生产需求。

▲集成式粉末循环系统

▲分体式粉末循环系统

04 安全冗余设计，生产过程更安全

BLT-S825沿用设备整机安全冗余设计，构建了全面的安全防护体系。设备采用整机防爆设计，搭配双氧含量检测系统与压力传感器的冗余设置，可以进行全方位氧含量、压力和温度监测，并在检测到超压时自动安全泄压。过滤器、粉末循环系统、取件舱等子模块均具备独立的氧含量、压力、温度检测，全面监测保证整机系统安全运行。BLT-S825具备氩气洗气安全互锁机制，避免氧气意外进气和氩气泄漏，在保证安全生产的同时确保人员操作安全。

BLT-S825设备配备密封性取件舱，在连接BLT-WL400或BLT-XH300后,通过配套的多工位和手套箱，可以实现满高度2.5m的零件在惰性气氛保护下清粉捞件。实现人粉隔离，和惰性气体保护下的高效粉末回收。

光曜九霄，折桂登高！铂力特研判空天领域用户创新发展的需求、尽心护航、用心服务，航空航天领域对大型、高性能的金属构件需求不断增长，数米级增材制造设备能够制造一体化、复杂结构的零部件，满足轻量化和高性能的需求BLT-S825应运而生。

重新定义中国企业在增材制造领域的国际竞争力，铂力特于珠海航展（2024年11月12-17日）H5B12展位现场展示BLT-S825的工程化应用创新概念案例，全方位诠释BLT-S825在空天零部件“大”、“优”、“特”、“精”等方面的工艺技术能力。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

根据3D科学谷的市场研究，铂力特S600在全球市场的竞争优势主要体现在技术创新、产品质量、市场认可、研发实力以及产业链布局等方面，这些优势使得铂力特能够在激烈的国际竞争中占据重要位置。

2024年11月12日珠海航展期间铂力特宣布其BLT-S600再升级！升级后的BLT-S600设备因其高精度、高效率和大尺寸成形能力，在航空航天、汽车、医疗、消费电子和学术科研等多个行业奠定了更强的应用潜力。

本期，3D科学谷与谷友近距离了解铂力特BLT-S600实现了哪些显著改进，来深度理解这款设备如何能够更好地满足大尺寸零件批量生产的需求。

▲ BLT-S600
© 铂力特

 提质提效，实力出圈

铂力特于航展现场隆重发布升级款BLT-S600设备。作为铂力特技术精粹的集中体现，升级款BLT-S600不仅继承了前代产品的高效稳定特性，更在多个维度实现了突破性升级。

自2014年研发启动以来，BLT-S600型设备（BLT-S600/S615）凭借出色表现在金属增材制造领域奠定了坚实基础。2016年航展，BLT-S600打印的首个工程化应用零件——航空发动机机匣成功亮相，成为当时世界上最大的回转体型设备。

如今，历经多次优化迭代，BLT-S600型设备全球装机数百余台，广泛应用于航天航空、发动机、汽车等领域，助力行业客户实现复杂大尺寸高精零部件的快速、优质、安全、智能批量制造。

看点一：大幅面多光束，打印效率升级！

BLT–S600此次成形尺寸扩大至650mm×650mm×850mm（W×D×H），成形体积增至原1.66倍，可满足更大尺寸零件的制造需求。同时，升级版BLT–S600的激光器最高可配置16光，整体效率较4光束提升3.45倍，为大型金属部件高效高精度制造提供强大支撑。

© 铂力特

此外，BLT–S600采用的是铂力特专利的单刀双向铺粉技术，成倍缩短刮刀安装调平时间，且能根据零件轮廓智能制定铺粉策略，实施多段变速铺粉，较传统定速铺粉方式提高效率近30%，实现铺粉质量与效率双提升。

看点二：一体打印成形缸，生产可靠性升级！

BLT-S600采用3D打印一体成形的成形缸，并经过结构优化，显著增强了缸体强度，有效规避拼缸带来的密封性差和力学性能削弱问题。并且设备的成形平台具备100℃均匀预热与精确控温能力，防止缸体受热变形，为设备生产的稳定性与安全性提供有力保障。

▲ BLT-S600成形舱内部
© 铂力特

BLT-S600内部广泛采用高强度、耐腐蚀的金属打印件，不仅提升了设备集成度，更在复杂工业环境中展现出卓越的可靠性和耐用性。

看点三：智能检测功能，成形质量升级！

BLT-S600融入了多项智能化技术以提升成形质量，包括铺粉检测、扫描检测及生产监控等，为全过程质量控制与追溯提供数据基础。

铺粉检测功能可以智能识别并处理异常情况，常规生产工况中，缺粉检出率可达到99%以上。BLT-S600已配备升级后的缺陷检测自学习平台，可支持用户根据生产场景自主训练识别模型，更智能地保障生产质量。扫描检测功能通过逐层扫描和三维重建技术，可快速准确地定位高风险区域，保障零件成形精度与一致性。生产监控功能不仅能实时收集数据，还能自动录制监测成形室画面，进一步提升生产过程的透明度和可追溯性。

看点四：省气省粉自循环，经济环保升级！

BLT-S600凭借多项高效节能设计引领行业绿色趋势。相较于市面同类产品，BLT-S600气体消耗显著降低：在工作压力状态下，进气量低于5L/min。同时，其镜头洁净时长高达700小时，为连续成形保驾护航。BLT-S600采用了阻燃材质的长寿命过滤系统，可在打印过程中自动反吹清洁，其过滤面积与成形幅面、光学数量相匹配，实现最大化资源利用。经过方案优化，过滤系统可以有效避免滤芯反吹清洁和灰渣桶处理导致的停机风险，可确保连续打印，减少经济与人力损失。

在粉末的自动循环利用方面，BLT–S600也展现了出色的兼容性，可供用户根据生产场景搭配分体式或集成式粉末循环系统。分体式系统支持一对多灵活配置，节省空间；集成式系统则高度集成，可实现一机筛分、回收、供应等功能，避免了多机协作的能耗与资源分散问题。

看点五：人机交互友好，安全便捷升级！

升级版BLT-S600深度优化人机交互的友好性与安全性，进一步提升用户体验。设备的气路柜门升级为透明观察窗，用户无需开门即可直观监控气路面板数据。取件舱则采用了脚踏式Z轴升降控制，让取件与清理更加流畅从容。同时，BLT-S600配有折叠式触摸显示屏，其收纳友好设计不仅节约空间资源，也赋予用户更多的自主性与舒适度。除主机外，其配套粉末供应设备同样支持远程控制，真正做到为劳动者减负、增效、保安全。

通过智能化软硬件协同，BLT-S600将生产流程化繁为简，大幅增强作业效能。设备支持一键式操作，包括打印准备、打印件进出舱、振镜自动校正、粉末循环等功能。其中，设备采用的BLT-AutoCAL（铂力特多振镜自动校正产品）校正精度可达到0.05mm以内。搭配使用BLT-MES系统，用户可将零散生产环节串联成一条高度集成的智能链路，为打造现代化的“黑灯工厂”提供强有力的支持。

铂力特秉承以人为本的设计理念，用实力守护劳动者职业健康。BLT-S600设备涉粉区域均采用优选防爆元器件，搭配氧含量检测系统，确保惰化环境稳定，在拓宽材料加工范围的同时有效规避爆炸风险。其激光防护玻璃与安全互锁机制能有效防止激光外泄，保护人员免受辐射伤害。此外，急停开关、接地保护、压力及温度监测等安全设计相辅相成，共同为使用者筑起一道坚不可摧的安全防护体系。

更高的生产效率、更好的打印质量、更低的运营成本以及更安全的操作环境，使得BLT-S600升级款成为性价比之选。本次航展BLT-S600将在现场实时打印，更多关于BLT-S600的精彩看点，等待用户来H5B12展位发现！一起携手让制造更简单，让世界更美好！

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

根据3D科学谷的市场研究，在数米级设备的性价比、效率、稳定性方面，中国已经率先取得了世界领先的突破。本期，通过铂力特为珠海航展准备的一系列实力展现，3D科学谷与谷友一起来深度领略国内在这方面的独特之处。

▲ 铂力特实力亮相珠海航展
© 铂力特

 产业链协同，为空天制造赋能

2024年11月12日至17日，铂力特将第六次亮相中国航展。本次航展，铂力特将展示在航空航天产业链配套和工程化应用方面的成果，以及铂力特在多个领域的创新应用与前沿技术亮点。

铂力特现已构建较为完整的金属增材制造产业链，更好实现资源配置与产业链协同。铂力特的产业化项目三期（金属增材制造产业创新能力建设项目）项目、四期（金属增材制造大规模智能生产基地项目）项目，将有效提升公司金属增材定制化产品、原材料粉末、装备制造等的产能，加快成为具备全产业链创新能力的增材制造产业优势企业。目前四期E地块预计2024年11月竣工。

在原材料方面，铂力特推出多款适合航空航天领域的可成形材料，增强对定制化产品的快速反应能力。在设备方面，铂力特设备矩阵满足空天领域各类零部件研制、批产需求，实现产业链的提质与降本增效。在定制化服务方面，铂力特不断增加服务要素比重，为航空航天预研、预制、批产等多样需要保驾护航。在数字化技术方面，铂力特智能产线管理系统BLT-MES可以做到制造全链路的管理与监控，有效实现产业链上下游信息流通与资源整合。2023年，BLT-MES获评工信部工业互联网+大数据试点示范项目。

本次航展，铂力特展示了涵盖粉末原材料、设备、打印服务等多个方面的金属增材制造智能产业链，并通过BLT-MES对生产全流程进行管理与监控，带您沉浸式体验面向未来的空天金属增材制造智能工厂。

 研判空天客户需求，重磅设备新品首发

国内航天航空产业的发展正不断加深金属增材制造技术在先进装备研发和批产中的应用程度。铂力特充分研判空天领域客户需求，带来重磅新品的诚意发布：

1. 成形尺寸再突破，数米级设备航展首发，更有及其超大工程化应用案例现场亮相，为空天零部件研制、批产需求提供新方案

2. 稳定生产设备再升级，更多激光方案更好助力规模化批量生产降本提质增效

 空天领域工程化、批产化应用展示

空天应用展区聚焦于航空航天领域的工程化应用与批量化生产，展示铂力特如何通过久经工程检验的技术积淀与全面稳定的解决方案，满足空天领域对高性能、高效率、低成本制造的高要求。

 前沿领域创新案例，彰显金属增材制造应用深度

多领域创新应用展区综合了铂力特在飞行汽车、电子、机器人、光电控制、工业阀体、刀具、新型散热器、运动消费品、时尚消费品等多个前沿领域的创新应用，彰显了铂力特金属增材制造解决方案在多领域应用深度与广度的扩展。

 技术展品展示创新性探索成果

创新技术展区汇聚了众多技术亮点展品，包括大层厚方案、设备零部件创新设计、极小曲面结构、精细打印等，全面展示了我们在金属增材制造技术创新的最新成就和前瞻性探索成果。

 十年蜕变，领航金属增材制造大生产时代

2014年首次亮相中国航展，铂力特首台自主研发的金属3D打印设备及多型航空航天工程化应用案例；

2016年中国航展，铂力特设备工艺能力再突破，创新性展示了“大”、“优”、“特”、“精”的工艺技术水平，更是发布当时世界上最大的回转体结构和长轴类零件，走在世界前列；

2018年，铂力特三赴中国航展，展示设备、工艺技术、软件等全产业链能力的最新成果，让空天客户感受金属增材制造技术“做得出、用得起”的无限可能；

2021年，铂力特提出金属增材制造正在迈入“大生产时代”。多型金属增材制造空天领域批产案例及批量生产解决方案亮相航展，引领空天零部件制造降本、提质、增效新趋势；

2022年，铂力特全面展示在空天零部件设计迭代、研制加速、降本增效的工艺技术能力；全套产业链水平进一步增强，展示打造面向未来的金属增材制造智能制造工厂方案。

十年间，铂力特不断突破技术壁垒，优化工艺流程，推动金属增材制造从技术探索走向产业化应用再走向智能产线建设，领航金属增材制造大生产时代，开启空天制造的新篇章。

 顺应趋势，引领发展

根据3D科学谷的市场洞察，中国在大幅面打印设备方面具有明显优势，有望成为中国企业在增材制造设备出海方面的突破口，这对于航空航天制造领域来说，意味着更强的国际竞争力，铂力特在这一方面做出了行业表率。

与传统加工相比，增材制造有效避免了材料浪费的问题，材料利用率可达95%，这一点对于资源节约和环境友好型生产具有重要意义。当前，增材制造技术面向航空航天、轨道交通、新能源、新材料、医疗仪器等战略新兴产业领域已经展示了重大价值和广阔的应用前景，其中，随着空间探索向更远、更深的领域延伸，对航天装备的可靠性提出了更为严苛的要求，数米级设备制造的部件可以满足这些高可靠性的需求。不久的未来，增材制造将成为支撑国家重大需求、支撑国民经济发展的“国之重器”。

正心明道，行稳致远！铂力特肩负使命，积极进取，让制造更简单，让世界更美好！

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷 l 链接到3D科学谷网站原文

日前，南京理工大学材料科学与工程学院的兰司教授课题组联合28个单位、67位作者在Rare Metals上发表了题为“Frontiers in High Entropy Alloys and High Entropy Functional Materials”的研究文章，根据材料的特性和分类，从高熵合金结构材料、高熵合金功能材料、高熵功能材料三个方向重点介绍了相关领域的背景、应用及最新发展，并分析了当前面临的研究挑战和未来的发展前景。借助稀有金属rarematerials的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略关于包括3D打印等制造技术在内的高熵合金和高熵功能材料的前沿研究进展。

3D科学谷洞察

高熵合金和高熵材料的研究和应用领域正在蓬勃发展，它们代表了材料科学的研究模式转变，为材料设计引入了一种打破传统原则的新方法。这些材料有潜力发展为具有定制属性的高性能材料，革新各个行业，推动技术、工程和可持续发展的进步。增材制造技术，因其高冷却速率、极致的几何设计自由度和可控的微观结构调控，为高熵合金的制造提供了新的可能，增材制造技术能够有效地抑制成分偏析、细化晶粒，并在晶粒内部形成独特的亚结构，如胞状组织等，从而提高材料的强韧性、硬度和耐磨性。”

 摘要

高熵合金（HEAs）和高熵材料因其卓越的性能而具有广阔的应用前景和研究潜力。本课题将分五个部分全面概述该领域的最新进展。第一部分介绍了高熵合金的背景，包括其定义、意义、应用前景、基本特性、设计原则和微观结构。随后的章节重点介绍了前沿的高熵合金结构材料，重点介绍了纳米结构合金、晶界工程、共晶体系、低温合金、薄膜、微纳米晶格结构、增材制造、高熵金属玻璃、纳米沉淀强化合金、成分调制、合金纤维和耐火体系等方面的发展。下一部分的重点转向高熵合金功能材料，探讨作为催化剂、磁热材料、耐腐蚀合金、储氢系统和生物医学材料的高熵金属。此外，论文还探讨了合金领域以外的高熵功能材料，包括热电材料、量子点、纳米氧化物催化剂、储能材料、负热膨胀陶瓷和高熵吸波材料。论文最后进行了展望，讨论了该领域的未来发展方向和潜在研究领域。通过这篇全面的综述，研究人员、工程师和科学家可以深入了解高熵合金和高熵功能材料的最新进展和进一步研究机会。

 主要内容

1. 高熵合金背景

在早期阶段，高熵合金（HEA）最初被定义为由五种或五种以上元素组成的合金，其成分通常为等摩尔或接近等摩尔，各主要成分的含量范围在 5at.% – 35at.% 之间。随着研究的深入，学界逐渐利用混合构型熵来定义高熵合金。混合构型熵的升高赋予了高熵合金一些独特的属性，如严重的晶格畸变、缓慢扩散效应、鸡尾酒效应和高熵效应。通过合理的合金设计和热处理工艺可以提高高熵合金的强度和延展性，如利用易变工程诱导转变诱导塑性、通过添加间隙原子引入有序氧复合物以及诱导多级共格析出物等。高熵合金在强度和延展性之间的出色平衡使其适用于各种领域所需的高强度结构材料。此外，高熵合金还具有优异的低温性能、高温强度和稳定性、催化特性、超导性、磁性能和耐腐蚀性，这些出色的特性使得高熵合金有望在航空航天、能源、电子和汽车等行业得到广泛应用。

图1 高熵合金的发展历史

在早期的 HEAs 研究中，人们成功开发了多种类型的单相 HEAs，如 FCC、BCC 或 HCP 结构。除了单相固溶体外，许多 HEA 还表现出多相结构或金属间化合物相，如 L12、B2、Laves 相等。这些独特的微观结构和局部化学有序性影响着HEAs 的机械性能、热导率、导电性、磁性能和化学稳定性。全面了解HEAs的微观结构是优化其机械和物理性能的先决条件。在过去的几十年里，研究人员已经意识到，HEAs在跨尺度观察中表现出丰富的微观结构，即在原子尺度上，它们表现出化学和拓扑有序性，从而产生复杂的局部结构；在纳米尺度上，可以观察到相分离和纳米级析出物；在介观尺度上还具有包括树枝晶、共晶或网络结构的特征结构。

图2 高熵合金的跨尺度微观结构

2.作为尖端结构材料的高熵合金

高熵合金作为尖端结构材料，通过不同的工艺可以制备出不同形式种类的高熵合金，它们拥有各自不同的结构性能。本章详细介绍了在纳米结构、晶界工程、共晶、低温等领域的研究进展，并提及机器学习对材料设计方面的指导作用。

2.1纳米结构HEAs

纳米结构高熵合金（nc-HEA）的微观图示如下图所示。制备nc-HEA主要通过机械合金化、高压扭转、磁控溅射和惰性气体冷凝蒸发法，其中机械合金化是最流行的方法。nc-HEA具有高硬度、良好的热稳定性和优异的功能特性。

图3从单晶金属到纳米晶金属再到纳米晶高熵合金

2.2晶界工程HEAs

HEA在克服强度-延展性权衡并获得各种优异的功能特性方面取得了相当大的进展，但对于目前大多数等轴多晶HEA来说，与晶界相关的脆性问题仍然限制了它们的工业应用，例如中间温度脆化、晶界不稳定性和氢脆，所以高熵合金晶界工程专门设计用于优化晶界的特性和行为，这可以显着影响材料的强度、延展性和耐腐蚀性。

图4 通过在 L12 强化 HEA 中构建异质晶界结构避免中温晶间脆性

2.3共晶HEAs

共晶高熵合金（EHEA）结合了高熵合金和共晶合金的特点，由于其优异的铸造性和机械性能成为金属材料的研究热点。EHEA的设计策略包括混合焓策略、简单混合策略、伪二元策略等。已报道的FCC和BCC结构EHEA的典型显微组织特征如下图。

图5报道的EHEA的共晶形态

2.4低温HEAs

高熵合金在低温下也具有优异的机械性能，尤其是CrCoNi基高熵合金，表现出较高的拉伸强度、延展性和断裂韧性等，这归功于其较低的堆垛层错能（SFE）。低SFE会激活额外的变形机制，如堆垛层错、纳米孪晶甚至相变，从而提高了合金的机械性能。

图6 CrMnFeCoNi在295K、140K和15K变形时的原位中子衍射结果

2.5 HEAs薄膜

高熵合金薄膜（HEATFs）具有高纳米硬度和弹性模量、优异的耐磨和耐腐蚀性、良好的生物相容性以及出色的电学和磁学性能。制备方法包括磁控溅射、激光熔覆等，磁控溅射因其快速、高纯度而被广泛应用。由于晶粒尺寸小、晶界数量多以及严重晶格畸变等因素，HEATFs的机械性能明显优于大块样品。

图7 多靶共溅射制备 Zr-Al-Ti-V-Cr MCA 的原理图

2.6微纳晶格HEAs

晶格结构具有高强度重量比、低膨胀系数和大表面积等特性，在热交换、机械阻尼和能量吸收等方面发挥关键作用，其性能取决于拓扑结构和材料组成。高熵合金通过与晶格结构相复合实现轻质且耐损伤的金属结构材料，具有高强度、高能量吸收和可调杨氏模量等优点，工程应用前景广阔。

图8 微纳晶格HEA的制作方法

2.7 增材制造HEAs

增材制造（3D打印）在构建高熵合金方面具有优势，可以通过逐层打印的方式构建复杂的几何形状，为制造复杂形状或大型高熵合金提供便利。增材制造的快速冷却能力有助于细化HEA的微观结构，进而提高机械性能。目前主要采用激光粉末床熔融（LPBF）、激光工程净成形（LENS）和电子束熔融（EBM）等方法进行增材制造HEAs。

图9 增材制造制备的AlCoCrFeNi2.1共晶HEA的显微结构和机械性能

2.8高熵金属玻璃

金属玻璃是通过快速冷却合金熔体并绕过了结晶过程，最后形成玻璃态。高熵金属玻璃的形成规则取决于元素类型、混合焓和原子尺寸比，原子尺寸比大且负混合焓高的体系更容易形成高熵金属玻璃。高熵金属玻璃具有高强度、硬度和耐磨性，以及良好的生物相容性、磁热和催化性能。但由于无序结构缺乏位错和晶界，限制了塑性变形。此外，近年来在高熵金属玻璃体系发现了反常的液液相变和相分离现象，这为学界研究液体结构和相变提供了一个全新的模型体系。

图10 高熵金属玻璃的液-液转变

2.9纳米沉淀强化HEAs

为了增加高熵合金强度，研究人员通过控制合金添加元素和热处理来实现沉淀强化。沉淀强化的效果取决于沉淀物的微观结构，包括类型、尺寸、体积分数和空间分布。在高熵合金中，根据其与基体的界面结构分类，析出物可大致分为共格析出物和非共格析出物两类。L12 有序Ni3Al 型共格析出能够平衡FCC HEAs的强韧性，σ、μ、η、Laves 和 Heusler 相等非共格析出物也可用于增强 HEA 的强度。

图11 FCC/L12 纳米薄片合金的力学性能和微观结构

2.10成分调制HEAs

高熵合金在纳米尺度上具有成分不均匀性，表现为化学短程有序结构或随机成分波动。这些不均匀性导致了局部原子键结合的变化，从而影响位错的分离，导致位错在位错线的特定位置解离。因此，高熵合金的变形机制得到了调控。研究的重点主要关注如何在HEAs中精确控制成分的不均匀性，并确定其对缺陷运动行为和材料属性的影响。

图12 FCC 晶体结构中的成分调节异质性

2.11 HEAs纤维

HEAs纤维具有高强度、高塑性、高加工硬化能力，适用于极端环境下的先进工程应用。制备方法有冷拉法、热拉法和玻璃涂层法，每种方法有各自优缺点。调整纤维直径、引入第二相等方式可控制HEAs纤维的力学性能。

图13 (a)冷拔法和(b)玻璃镀膜法示意图

2.12难熔HEAs

难熔高熵合金（RHEAs）得益于迟滞扩散效应以及元素之间的强结合力，在 1000℃以上表现出比传统镍基超级合金更好的机械性能。RHEAs 主要由一些熔化温度较高的元素组成，包括 Ti、V、Cr、Zr、N、Mo、Hf、Ta、W 等。除此之外，一些熔点相对较低的金属/非金属元素也参与了合金设计，以降低合金的密度或改善其高温力学性能和抗氧化性能，如 Al、B、C、Si、O、N 等。间隙强化和变形强化常被用来调整RHEAs的机械性能。

图14 NbMoTaW 和 VNbMoTaW HEA 以及两种超级合金（Inconel 718 和 Haynes 230）屈服应力的温度依赖性

2.13通过机器学习预测高性能高熵合金HEAs

机器学习具有强大的学习能力和高效的计算能力，与其他理论模拟方法相比，机器学习可以更有效地预测高熵合金。机器学习在高熵合金模拟或预测中的典型工作流程主要包括四个部分：任务、经验、算法和性能指标，如下图所示。机器学习中的不同主要任务包括分类、回归、集群、关联和降维。不同的应用场景对应的下游任务也不同。

图15（a）人工智能（AI）、机器学习（ML）和深度学习（DL）之间的示意性关系;(b) 用于模拟或预测高熵合金的机器学习工作流程

3 高熵合金作为尖端功能材料

3.1 高熵合金电催化

在电催化领域，高熵合金被认为是具有优异催化性能和化学稳定性的潜在催化剂。研究表明，高熵合金在水裂解、氧化还原反应和甲酸氧化等方面表现出优异性能，具有广阔的应用前景。高温热冲击技术可实现高熵合金材料的高效合成，通过高温热冲击合成的高熵材料展示了优越的电催化活性和稳定性，有望推动电催化剂的结构工程和性能优化。

图16 纳米海绵状 PdPtCuNiP HEMG的制备过程及性能图。

3.2 磁热高熵合金

HEAs提供了改善磁热材料性能的新途径，具有可调的工作温度范围和优异性能。最新一代磁热HEAs采用属性导向策略设计，能够显著提高磁熵变化并减少热滞后，展现了高熵合金在磁热材料设计方面的巨大潜力。

图17 在科学网络上同时包含“高熵”和“磁热量”的年度出版物和引用文章的数量（截至2023年的调查）

3.3 耐腐蚀高熵合金

HEAs因其高熵效应导致的化学均匀性、含耐蚀元素多和形成复合氧化物膜等特点，在耐腐蚀性方面相较传统合金展现出独特优势。其耐腐蚀性受合金成分、微观组织和环境等因素的影响，其中铝含量的增加可能降低耐腐蚀性，而Cr、Mo、Ni和Co、Ti、Rare Earth适量添加则有助于提高耐腐蚀性。HEAs的微观结构，包括单相结构、细粒度结构和非均质晶粒结构，对其耐腐蚀性也有重要影响。因此，深入研究合金成分和微观结构对HEAs耐腐蚀性的影响对于设计更耐腐蚀的HEAs至关重要。

图18 HEAs与其他传统耐腐蚀合金在 0.5 M H2SO4 溶液中的腐蚀电位和腐蚀电流密度

3.4储氢高熵合金

HEAs作为一类具有宽泛成分范围和简单晶体结构的新型合金，提供了许多调节氢存储性能的可能性。BCC型高熵合金和轻质高熵合金在存储容量方面有很大优势，但仍需要严格的条件才能释放更多氢气。而拥有Laves相的高熵合金可以在室温下可逆吸收和释放氢气，但存储容量还不够高。未来研究可能聚焦于不同的合成过程，结合高熵合金的广泛成分组成，以及探索非晶态或纳米晶态的高熵合金材料，以开发高效的储氢材料。

图19 储氢HEAs的一些储氢特性。

3.5 生物医学高熵合金

目前临床应用的金属材料主要包括Ti、Zr、Nb、Ta等元素，TiZrNbTa HEA作为新型生物医学材料具有优异生物相容性和力学性能，有广泛应用前景。增材制造技术为制备HEAs提供了优势，有望满足医用定制需求。

图20 TiZrNbTa HEAs的力学性能和生物相容性。(a)拉伸曲线；(b)压缩曲线；(c)Young模量、拉伸屈服强度和拉伸延性；(d)TiZrNbTa HEAs与传统生物医学金属材料的磁化率比较。

4 功能性高熵材料

4.1 铁电/压电

通过增加局部结构的无序性高熵铁电材料能够提高极化的灵活性和可调性能，从而增强其压电性、电致伸缩应变和储能性能。高熵陶瓷展现出异常高的压电系数，而高熵策略在非钙钛矿材料中的应用可显著提高储能密度和电热性能。此外，高熵材料在薄膜材料的储能能力提升方面展现出巨大潜力，为设计高性能铁电材料提供了新的途径。高熵电热聚合物在低电场下表现出显著的电热性能，具有潜力用于芯片冷却和热泵等领域。

图21 高性能高熵铁电材料的潜在应用场景

4.2 热电

高熵热电材料通过增加电子传输效率和降低热传导率来实现高热电转换效率，具体包括通过增加溶质原子的溶解度、利用熵工程提高晶体对称性、以及通过增加原子结构无序性降低热导率等策略。此外，高熵合金的高机械硬度也为提高热电器件的稳定性和使用寿命提供了可能。

图23 熵驱动的高热电性能和机械硬度

4.3 纳米氧化物催化剂

高熵氧化物基于其独特的高熵效应、晶格畸变等特性，在电化学领域展现出显著的应用潜力，尤其是在催化活性和耐久性方面。通过使用过渡金属如Ni、Fe、Co等，以及掺杂N、P、S等元素，可以进一步增强其电子结构的可调性和催化性能。与传统贵金属基催化剂相比，高熵氧化物提供了一种非贵金属催化剂的可能性，特别是在水电解催化、醇氧化反应、二氧化碳还原反应等方面展现出优异的性能。此外，磁性高熵氧化物在氧化脱硫等反应中也表现出良好的活性和再生性，显示了其在多领域的广泛应用潜力。

图24 催化中高熵氧化物应用示意图

4.4 储能材料

高熵（HE）阳极和阴极材料因其多样性和特殊的扩散和晶格特性，展现出优异性能。HE材料在电池中的应用包括改善层状过渡金属氧化物阴极的循环稳定性和库仑效率，开发具有高能量密度的阳离子有序岩盐阴极，以及通过高熵策略提高普鲁士蓝类似物和金属氧化物阳极的性能。

图25 HE岩盐阳极Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2O 的结构示意图

4.5 负热膨胀陶瓷

高熵概念融入负热膨胀材料设计，可提高负热膨胀性能和其他性能。例如高熵稀土基钼酸盐陶瓷具有优异的高温负热膨胀性能和降低吸湿性，主要原因在于高熵效应带来晶格无序性，缓解水分子扩散问题。目前学界对高熵负热膨胀材料的研究仍然不够全面，后续需大量研究工作跟进。

图26 （a) HE-RE2Mo3O12的晶体结构。(b)一些NTE材料基于不同温度范围内的平均实验体积CTE。(c)ZMAFCMW溶液的相对长度变化。(d)不同x值下预测PTT与测量温度的比较

4.6 高熵波吸收材料
通过高熵组分设计，高熵陶瓷能够同时优化两种损耗机制，实现具有强吸收能力和宽吸收带宽的高性能吸波材料。高熵陶瓷吸波材料的制备方法简单高效。与单相材料相比，这些高熵陶瓷材料展现出更优异的高温热稳定性、抗氧化性和吸波性能，使其成为高温吸波应用极具前景的选择。

图27 三种基于高熵陶瓷BaTiO3 的包晶模拟电荷映射，表明随着熵的增加存在相当大的极化

【全文小结】
高熵合金和高熵材料代表了材料科学的研究模式转变，为材料设计引入了一种打破传统原则的新方法。“高熵”一词本身就暗示了对传统设计理念的背离。这种材料设计理念催生了一批具有前所未有的机械、热、电和磁特性组合的新型材料。相关研究和应用领域正在蓬勃发展，方兴未艾。应对高熵合金和高熵材料领域的挑战以及探索机遇需要采用多学科方法，包括制造技术的进步、功能属性的探索、先进表征工具的利用，以及机器学习的整合。通过持续的研究与合作，高熵合金和高熵材料有潜力发展为具有定制属性的高性能材料，革新各个行业，推动技术、工程和可持续发展的进步。

来源
稀有金属rarematerials l

Rare Metals 南京理工大学兰司：高熵合金和高熵功能材料的前沿研究进展

Citation

Zhang, WT., Wang, XQ., Zhang, FQ. et al. Frontiers in high entropy alloys and high entropy functional materials. Rare Met. (2024).
https://doi.org/10.1007/s12598-024-02852-0

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。

白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷