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。

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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

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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

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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

▲论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-020-00483-5

▲ futureAM
© 3D科学谷白皮书

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

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根据3D科学谷的洞察，在增材制造过程中，铝的临界扩散行为对于形成多梯度结构至关重要，这种结构在变形过程中表现出梯度应变分配效应。梯度应变分配效应有效地阻碍了裂纹的萌生和扩展，这对于提高材料的断裂韧性至关重要。

近日，根据材料学网，香港理工大学陈子斌教授团队的一项工作代表了非均质合金设计和增材制造技术交叉领域的一个重要进展。通过在增材制造过程中精确控制铝（Al）的扩散，团队成功地创建了具有独特成分梯度和结构梯度的非均质多梯度结构。他们开发的多梯度α-Ti/Ti-10Al结构不仅在提高材料强度的同时保持了良好的延展性，而且还展示了如何通过精确控制微观结构来优化合金的性能。

▲论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424007456

3D科学谷洞察
非均质合金

非均质合金设计是一种材料科学领域的先进概念，它涉及到创造具有不同组成和微观结构的合金区域，以实现特定的性能优化。这种设计策略利用了材料的异质性，即在材料的不同部分具有不同的化学成分和/或微观结构，以获得比传统均质合金更优异的性能。非均质合金设计允许在材料的不同区域实现不同的性能，例如，提高某些区域的强度而不影响其他区域的延展性。可以创建具有梯度功能的合金，其中材料的属性（如硬度、弹性模量、热膨胀系数等）在空间上连续变化。通过非均质设计，可以在材料内部实现更均匀的应力分布，减少应力集中，从而提高材料的疲劳寿命和可靠性。并且，非均质合金可以设计成对特定环境条件（如高温、腐蚀介质等）具有更好的适应性。增材制造（AM）技术，如选区激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM），为非均质合金设计提供了制造平台，允许在制造过程中精确控制材料的局部成分和微观结构。”

 

 新型非均质多梯度合金

非均质合金设计已成为材料科学的前沿，因为它们在实现强度和延展性的卓越组合方面具有潜力。为了利用这一潜力，香港理工大学的研究团队提出了一种结构策略，通过在增材制造过程中原位调制铝浓度来制造一种新型非均质多梯度α-TiAl合金。与屈服强度（σy）为440 MPa，断裂伸长率（εf）为37.6%的均相Ti和均匀Ti- 10al [at%] （σy ~ 910 MPa, εf ~ 6.1%）相比，该非均相多梯度α-TiAl合金在屈服强度（σy ~ 760 MPa）上有显著提高，但在延展性（εf ~ 33.4 %）上有微小降低。进行了全面的实验表征，以探讨其潜在机制。研究结果表明，铝在不同印刷层中的扩散促进了一种创新的异质多梯度结构的形成，产生了多梯度应变的协同作用，有助于实现强度和延展性的卓越结合。这些发现不仅为大幅度提高α-Ti合金的力学性能提供了一条有效途径，而且也可广泛应用于其他合金体系。异质结构设计的新实现有可能克服协调强度和延性之间权衡的长期挑战。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

α-钛（α-Ti）主要与α-稳定剂（如O， N和Al）相关。它具有一系列卓越的性能：出色的可焊性，明显的缺口韧性，优越的比强度和良好的延展性（超过20%），使其特别适用于对延展性要求极高的应用。然而，良好的延展性主要存在于非合金α-Ti或低合金α-Ti中，这类合金的强度仍然相对较低。为了提高其强度以满足具体实际应用的要求，加入合适含量的α-稳定元素势在必行。然而，这种强度的提高经常被延性的急剧下降所抵消，这就是强度-延性权衡困境的例证。现有文献强调，少量加入氧气或铝会导致延展性受损，同时也会增加强度——在引入0.3wt%氧气或4.0wt%铝时，延展性下降200%。因此，建立一种经济的制造模式，在不显著影响延展性的情况下增强强度，对于推进α-Ti的结构应用仍然至关重要。

最近，异质结构材料作为一种非常有前途的候选材料，通过巧妙地整合适当的微观结构设计，实现了强度和延展性的卓越结合，这一重大进展使异质结构材料成为人们关注的焦点。因此，这提高了强度和应变硬化能力，同时最大限度地降低了延性。在之前的一项研究中，Li等人通过退火和热压技术成功制备了一种异质结构的纯钛（Ti），其特点是粗晶粒和细晶粒交替存在，其强度明显增强，从292 MPa上升到354mpa，同时保持了可观的延展性，与粗晶粒相比，仅从54%下降到53%。同样，Wu等人强调了非对称轧制和部分再结晶在非均匀层状结构Ti材料中的强度和延展性的有利协同作用。它具有与粗晶Ti相当的延展性，同时具有与超细晶Ti相似的强度。然而，制作这些异质结构的传统方法具有固有的缺点，包括处理时间长和成本高。当处理复杂的几何形状和在制造过程中精确管理组合调制时，这些挑战变得更加明显，使其实现具有固有的挑战性。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

为了应对这些紧迫的挑战，增材制造（AM）已经成为一种很有前途的解决方案，通过复合方法开拓了异质结构的近净形状生产。先前的研究已经证明了AM通过原位成分调整引入非均相微结构的能力。例如，通过激光金属沉积（LMD）制备从Ti- 6al – 4v过渡到Al12Si的功能梯度材料[14]，以及通过线弧AM制备不同Ti合金（Ti- 5al – 5v – 5mo – 3cr /Ti- 6al – 4v）的微观结构过渡梯度，其中不同成分的微观结构发生了明显变化。显然，增材制造的出现为探索创新材料设计范式提供了独特的途径，有助于提高近α-Ti合金的整体性能。然而，研究领域仍然面临着巨大的挑战，包括强度的有限提高与明显的延性牺牲，以及由于热膨胀差异、弹性模量差异和屈服强度变化而引起的界面脆化或开裂问题。例如，通过激光AM合成的双相钛合金，特别是TA15和Ti2AlNb，强度从1028 MPa增加到1067 MPa，但明显牺牲了延展性，从13.2%下降到8.0%。类似地，通过AM将Invar 36 （64 wt% Fe, 36 wt% Ni）掺入ti – 6al – 4v合金中，导致金属间相的出现，例如FeTi (B2), Fe2Ti (C14), Ni3Ti (DO24), NiTi2。这最终导致了不良的分层，使其不适合用于结构应用。因此，迫切需要重新设想设计策略，以减轻与界面脆化有关的问题。

最近的研究提出了一种策略，通过结合元素梯度来解决界面脆化问题，以防止过早断裂。例如，Wei等人发现，即使将Ti6Al4V和Inconel 625这两种看似无关的材料组合在一起，仍然可以实现强度和延展性的协同增强。这是由于在这两种材料之间引入了梯度材料过渡，以避免层间的突然过渡。此外，Guan等人发现异质结构层状互变CrMnFeCoNi/AlCoCrFeNiTi0.5复合材料虽然具有两相不同的硬度，但由于软层对裂纹的抑制作用，仍然可以获得无与伦比的强度和延展性。受这些发现的启发，本研究探索了近α-Ti合金的另一种片层结构。它结合了梯度材料的平稳过渡，同时避免了脆性金属间化合物。换句话说，该策略涉及到层状结构Ti- al /Ti异质结构的发展，这是合理的几个令人信服的原因：室温下Al在Ti中的高溶解度降低了形成不良金属间化合物的可能性；2. Al在Ti中的明显扩散可能提供了层间的平滑过渡，防止了可能导致不良分层的热膨胀系数或弹性模量的巨大差异；3. 有充分证据表明，Al在Ti中的强化作用可能导致异质组织合金的高强度。

在这项工作中，香港理工大学的陈子斌教授团队开发了一种多梯度α-Ti/Ti- 10al结构，其特点是强度接近于坚固的Ti- 10al合金，而延展性接近于延展性纯Ti。先进的表征技术已被用来阐明这些特殊性质的综合机制。值得注意的是，在增材制造过程中观察到Al的临界扩散行为，导致出现了一种具有独特成分梯度和结构梯度的新型非均质多梯度结构。非均质多梯度结构施加几何限制，从而在变形过程中表现出梯度应变分配效应，有效地产生额外的加工硬化，阻碍裂纹的萌生和扩展，从而在提高强度的同时保持良好的延性。这种创新的结构设计策略为制造具有卓越强度-延性组合的优质Ti提供了一条有前途的途径，对其他合金可能导致延性降低的合金具有更广泛的影响。

相关研究成果以“Exceptional strength and ductility in heterogeneous multi-gradient TiAl alloys through additive manufacturing”发表在Acta Materialia上。

图1所示。使用LENS™工艺制备均质Ti和TiAl试样以及非均质TiAl试样。(a)采用LENS™技术的打印过程示意图。(b)连续层的印刷策略。(c)非均相TiAl合金的印刷设计。（d1-d3）从构建的均质Ti、均质TiAl和非均质TiAl样品的横截面表面获得的OM图像显示，样品内部几乎没有孔隙形态。

图2所示。粉末和成品样品的相组成。(a)接收CP-Ti和预合金Ti-54Al粉末的XRD谱图。(b)在平行于构建方向的横截面表面上观察到的均相Ti、均相TiAl和非均相TiAl样品的XRD图谱。

图3所示。室温下均质Ti、均质TiAl和非均质TiAl的力学性能(a)工程应力-应变曲线。(b)与迄今为止报道的其他高强度α-Ti合金（包括SLM CP-Ti , SLM HDH-Ti, SLM TiNX, DED CP-Ti[34,35]和PM TiAlx）的屈服强度和总伸长率的比较。

图4所示。显微硬度在建筑距离上的分布。

图5所示。原位DIC可视化描述了不同宏观应变水平下沿加载方向的应变分布。(a)非均相TiAl合金的应力应变曲线。（b和c）初始阶段（第一阶段），缺乏应变局部化的迹象。（d和e）中间阶段（阶段II），标志着非均质菌株分布的开始。(f)以扩展应变局部化为特征的后续发展（第三阶段）。（g和h）高级阶段（第四阶段），显示了广泛的应变局部化，从TiAl层过渡到相邻的Ti区域。(i)末端阶段（第五阶段）捕捉应变局部化的全面扩展，最终导致试样破裂。

图6所示。基于扫描电镜的均相Ti，均相TiAl和非均相TiAl样品的显微组织检查。（a1和a2）均质Ti，分别在低倍和高倍下呈现。（b1和b2）低倍和高倍放大下均匀TiAl的详细显微组织。（c1）概述图像，强调试样内部的微观结构和元素差异。附带的EDS线扫描显示了Al和Ti浓度的梯度变化，从TiAl层过渡到相邻的Ti区域。（c2）对Ti层进行更近距离的放大检查，发现主要是板状和片状晶粒形态。（c3）在高倍镜下对TiAl层的显微组织检查显示主要是篮织晶粒形态。

图7所示。非均质TiAl试样横截面积的EPMA可视化。(a)在二次电子模式下拍摄的图像，显示了检查截面上复杂的结构细节。（b和c）来自同一区域的元素分布图，分别突出了Al和Ti的空间分布和局部化。

图8所示。LENS™制备的异质TiAl样品的原位EBSD结果。（a1）与建筑方向对齐的截面概览，显示钛层和TiAl层的总体结构布局。（a2）地表图显示了Ti和TiAl层中位错密度的均匀分布。（a3） Ti和TiAl层内晶粒尺寸分布的统计分析。（a4）详细描述Ti和TiAl层的GND密度分布的直方图。（b1和c1）晶体学分析分别显示了施加8%应变后和到达断裂时的微观结构演变。（b2和c2）对应的GND图，描绘了不同应变水平、8%和断裂时GND密度的变化，红色虚线描绘了高密度的GND迹线。（b3和c3） 8%应变后和断裂时晶粒尺寸分布的统计分析。（b4和c4）描述两种不同应变水平（8%和断裂）下GND密度的直方图。

图9所示。非均相TiAl样品中Ti层的原位EBSD结果。（a1-a3）晶体学分析揭示了在不同应变水平下Ti层内部的显微组织演变，随着应变的增加，观察到明显的晶粒细化：初始建成状态（a1）， 8%应变（b1）和达到断裂（c1）。（b1-b3）每种应变状态的GND图，突出了位错密度的逐渐增加及其在越来越细的晶粒中的传播：构建样品（a2）， 8%应变（b2）和断裂（c2）。

图10所示。LENS制备的非均相TiAl合金中富铝区和缺铝区的TEM表征。(a)和(b) TEM显微图描绘了缺al区域的片状和板状晶粒结构。红色虚线表示与板状晶粒相关的晶界。(c)缺al区域的HRTEM图像，插入快速傅里叶变换（FFT）图像。(d)具有代表性的STEM显微照片，显示富al区和缺al区之间的界面。白色虚线突出了先前的β边界，它区分了片层和篮织结构。(e) TEM图像显示富al区主要存在特征性的篮织颗粒。(f)富al畴的HRTEM图，与FFT插图相辅相成。

图11所示。缺铝区和富铝区断裂非均质TiAl试样的TEM表征。(a)亮场透射电镜（BF-TEM）图像显示了断口al亏缺区板状晶粒内部的显微组织演变。位错密度高的特征用黄色箭头表示，位错细胞用紫色虚线圈表示。(b)缺铝断裂带的HRTEM图像。插图显示了经过掩膜和反射处理的IFFT图像，它阐明了位错的存在。(c)富al区断裂后的BF-TEM图像。蓝色箭头表示细的编织颗粒，绿色箭头表示位错密度高的区域。(d)富铝区断裂区HRTEM图像。插图展示了经过处理的IFFT图像，以掩盖（01-10）和（011-0）反射，显示位错。

图12所示。(a)在增材制造过程中，通过LENS™软件获得的熔池温度分布图。(b)在AM过程中由熔池内的温差触发的既定Al梯度和Marangoni力。(c) Al在AM过程中从TiAl层向相邻Ti层扩散的示意图。(d)不同铝浓度对应的微观结构变化。

图13所示。非均质多梯度TiAl合金的渐进变形阶段示意图。（a1）变形的初始阶段，显示了合金在经历最早应变时的新形态。绿色矢量表示变形方向，垂直蓝色矢量表示Al梯度。（a2）由Al浓度的梯度变化引起的多梯度结构图。蓝色箭头表示微观结构的转变，随着Al浓度的降低，从较细的篮状晶粒演变为较粗的板状晶粒。（b1）合金在第二阶段应变增加的升高阶段的描述。位错和位错细胞用红色“T”符号表示。蓝色向量表示梯度应力分配效应的变换方向。（b2）在变形过程中，缺铝区产生的拉应力和富铝区产生的压应力相互作用产生梯度应力分配的示意图。（c1）变形阶段III和IV的显微组织示意图，在高应变下，在缺铝区可以观察到位错细胞的增加，演变成高角度/低角度晶界（用暗点线表示），在缺铝区表现出明显的晶粒细化，由高GND密度装饰。（c2）这一阶段延性补偿机制的示意图。白色的裂缝被相邻的层所限制。（d1）断裂前阶段，呈现的是刚开始断裂的合金。两个Ti-Al层之间的应力集中区域被连接起来。红色图案表示整个缺铝区域的应变局部化连接。（d2）这一高级阶段缺陷通道形成的示意图，阐明了在断裂之前通过晶粒细化和GND积累建立的路径和结构。

图14所示。相应的均相Ti、均相TiAl和非均相TiAl合金的真应力-应变曲线和应变硬化率曲线。

图15所示。均相Ti、均相TiAl和非均相TiAl试样的断口分析。（a1和a2）均质Ti的断裂面，红色箭头突出了均匀的凹陷特征。（b1和b2）均质TiAl的断口学特征，其中黄色虚线描绘了典型的阶梯状特征，黄色箭头表示突出的解理面。（c1和c2）异质TiAl试样的断裂形貌。红色箭头表示在缺铝区域发现的浅凹窝，而黄色箭头强调富铝区域的解理面。能谱线扫描阐明了铝梯度，从浅韧窝区跨越到解理为主的区域。

通过元素集成对合金进行优化，通常会提高材料的强度，但往往以降低延展性为代价，从而限制了其更广泛的适用性。鉴于异质结构材料所表现出的令人称道的力学性能，通常是通过机械后处理或成分修改引起的微观结构变化来实现的，本研究在增材制造过程中利用原位化学成分调制来合成一种新型的非均质多梯度TiAl合金，得出的主要结论如下：

1. 制备的非均质多梯度Ti/Ti- 10al合金具有良好的强度和延展性，其屈服强度约为760 MPa，断裂应变约为33.4%。非均相TiAl合金的屈服强度和断裂应变分别约为440 MPa和37.6%，与之相比，非均相TiAl合金的屈服强度提高了近70%，而延展性的损害可以忽略不计。此外，与均匀TiAl合金相比（屈服强度和断裂应变分别为910 MPa和6.1%），塑性提高了近6倍，强度损失很小。

2. 在增材制造过程中调用的Marangoni效应，加上Al向Ti的扩散，促进了组织良好的异质多梯度结构。这导致Al浓度的可控变化，随后诱导晶粒形态梯度和固溶体梯度沿构建方向从TiAl层到相邻Ti层。

3. 非均质多梯度TiAl合金中Ti/Ti- al层之间固有的组织和力学性能差异，促进了变形过程中梯度应力分配，增强了应变硬化。同时，较软Ti层的存在弥补了延展性，从而有效地减缓了Ti- al层内裂纹的产生和发展。梯度应力分配和延性补偿的协同作用使强度和延性都得到了显著提高。

4. 采用这种新颖的强化策略不仅以一种更可行的方式扩展了经济可行的α-Ti合金的潜在应用，而且为一系列合金系统提供了广阔的前景。这种方法在强化元素在基体中表现出明显的溶解度的情况下特别有益，并且它的掺入会显著损害合金的固有延展性。

来源
材料学网 l

香港理工大学《Acta Materialia》通过增材制造的非均质多梯度TiAl合金的卓越强度和延展性

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根据公开的市场研究，全球双光子聚合技术市场预计将保持平稳增长的态势，到2029年市场规模将接近29亿元。中国市场作为全球最主要的消费市场之一，预计将在未来几年内实现显著增长。根据3D科学谷的市场洞察，双光子聚合技术能够制造出具有亚微米甚至纳米级分辨率的复杂三维结构，这对于微纳光学器件的制造尤为关键。该技术可以用于制备光子晶体、光学波导、微透镜等高性能光学器件，推动光电子器件向更小型化、集成化和高性能化发展。双光子聚合技术对光电子行业的影响是全方位的，从器件设计、材料开发到制造工艺，再到市场应用和产业链发展，都将带来深刻的变革。随着技术的不断成熟和应用领域的拓展，双光子聚合技术有望在未来光电子行业中扮演更加重要的角色。

本期，通过节选近期国内在双光子领域的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

在双光子聚合领域活跃的部分企业：

Nanoscribe GmbH：这是一家德国公司，提供高精度的双光子聚合3D打印系统，如Photonic Professional GT系统，能够制造亚微米分辨率的器件。Nanoscribe开发了多种适用于双光子聚合的专有光刻胶，适用于不同的应用领域，包括生物医学、光子学等。

UpNano：奥地利的UpNano公司专注于高分辨率微尺度3D打印技术，其技术以精度和速度著称，能够生产微纳米级别的精细结构。该公司最近完成了700万欧元的A轮融资，以加速下一代打印机的开发和国际市场扩张。

深圳市不死鸟科技有限公司：这是一家中国的公司，提供微纳双光子3D打印机和打印服务。该公司的双光子3D打印机D100和S600在精细度和速度、加工尺寸方面具有竞争力。

Microlight3D：这家公司提供双光子聚合3D打印技术，服务于微纳光学和精密工程领域。

Heidelberg Instruments：提供双光子聚合技术及相关设备，服务于科研和工业应用。

Moji-Nano Technology：同样在双光子聚合领域活跃，提供相关产品和服务。

Femtika：双光子聚合技术领域的一员，提供高精度的3D打印服务和解决方案。”

3D科学谷发现
3D Science Valley Discovery

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。

Insights that make better life

 双光子聚合打印
     三维光子晶体的研究进展

赵晗彤1,2苏思华1,2李琛1,2,3周明霞1,2张泽政1,2张晨3阮琦锋1,2宋清海1,2,3

1.微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)2. 广东省半导体光电材料与智能光子系统重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)3. 鹏城实验室

摘要：

双光子聚合光刻技术和光子晶体的研究相辅相成。本文首先依次简述了三维光子晶体的概念及典型结构、双光子聚合光刻技术的原理与特点；然后回顾了利用双光子聚合光刻技术打印三维光子晶体在分辨率、打印速度和材料扩展等方面的研究进展，并重点介绍了其在光学领域的应用情况；最后总结了双光子聚合光刻作为制备三维光子晶体的加工手段仍存在的一些问题，并对其在未来的研究方向进行了展望。

 基于双光子聚合效应加工大
     深宽比纳米柱子和超构表面的研究

李岳隆1谢周宇1,2张大伟1陶春先1徐学科2文静1

1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院2. 恒迈光学机密机械(杭州)有限公司

摘要：

文章基于双光子聚合(TPP)效应，即双光子光刻(TPL)3D打印技术，实现了超衍射极限和高复杂结构的加工，实现了加工大深宽比的纳米柱子及由这些纳米柱子构成的超构表面。本文研究了不同TPP工艺参数对IP-Dip光刻胶微结构尺寸的影响，同时对这些参数进行了优化。文章的创新在以下两点：(1)分析了不同激光参数下纳米柱的尺寸变化，同时找出线宽最小对应的阈值参数来制备大深宽比的纳米结构。(2)对于加工步骤的优化，在显影步骤后加入了紫外灯固化和超临界二氧化碳干燥等步骤，以保证加工出的纳米结构不倒塌且具有良好的稳定性。文章使用以上改良技术，稳定的制备出具有最大深宽比接近15∶1、最小线宽214.80nm的矩形纳米柱，以及最大深宽比接近20∶1、最小直径145.44nm的圆形纳米柱，并且将制备出的大高宽比纳米柱应用在超构表面的加工中。

 双光子聚合打印
     三维光子晶体的研究进展

赵晗彤1,2苏思华1,2李琛1,2,3周明霞1,2张泽政1,2张晨3阮琦锋1,2宋清海1,2,3

1.微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)2. 广东省半导体光电材料与智能光子系统重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)3. 鹏城实验室

摘要：

双光子聚合光刻技术和光子晶体的研究相辅相成。本文首先依次简述了三维光子晶体的概念及典型结构、双光子聚合光刻技术的原理与特点；然后回顾了利用双光子聚合光刻技术打印三维光子晶体在分辨率、打印速度和材料扩展等方面的研究进展，并重点介绍了其在光学领域的应用情况；最后总结了双光子聚合光刻作为制备三维光子晶体的加工手段仍存在的一些问题，并对其在未来的研究方向进行了展望。

 基于双光子3D打印的
     pH响应型微尺度柔性单关节加工方法

赵秀宝1,2,3郭仁春1章昱昭2,3,4王金刚2,3,4郑建辰2,3,4王晓朵2,3

1.沈阳化工大学信息工程学院2. 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室3. 中国科学院机器人与智能制造创新研究院4. 中国科学院大学

摘要：

微型软体机器人通常具有结构尺寸小、柔性可变形等特征，在生物传感以及靶向载药等方面具有广阔的应用前景。刺激响应型水凝胶材料对外界刺激具有膨胀收缩的能力，是一种优异的微型软体机器人本体材料。目前针对提升微型软体机器人变形能力的研究主要聚焦于材料性能的提升和加工工艺的优化上，而通过微型软体机器人关节结构优化来提升其变形性能的研究相对较少。

鉴于此，本课题提出了一种基于双光子聚合加工的双层膜弧形关节的设计方法，有效提升了双层膜关节的形变能力。通过改变双光子聚合过程中的激光功率和扫描速度，可有效调节pH响应材料的溶胀响应特性，进而获得双层膜关节的变形或驱动能力。进一步，笔者制备了圆心角不同的双层膜弧形关节，结果表明：不同圆心角的双层膜弧形关节在pH响应下的形变能力具有明显差异，当圆心角为240°时形变率最大，形变率是传统直角形双层膜关节的6.73倍。基于双层膜设计和构建的弧形关节具有良好的稳定性和形变能力，为微型机器人的高效驱动提供了新的设计思路。

 基于双光子聚合3D打印的
     光纤法珀微波导腔制备及传感特性研究

陈茂庆1,2刘思源1,2蔡露1,2刘强1,2赵勇1,3,2

1.东北大学信息科学与工程学院2. 河北省微纳精密光学传感与检测技术重点实验室3. 东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室

摘要：

将光纤法布里-珀罗（法珀）微腔与微波导相结合，提出一种光纤法珀微波导腔高灵敏度折射率传感器。光纤法珀微腔可以将光场限制在微米量级的区域内，并对腔内的微波导结构起支撑保护作用；微波导在保证结构良好导光能力的同时，基于其强倏逝场特性，进一步提升整体结构的折射率灵敏度。此外，基于飞秒激光双光子聚合高精度3D打印技术，可实现波导直径仅为2μm的光纤法珀微波导腔，并保证良好的制备重复性。

实验结果表明：随着光纤法珀微波导腔传感器腔内液体折射率的增加，传感器的干涉光谱发生蓝移，在1.3346～1.3764折射率范围内灵敏度可达525.81 nm/RIU，与仿真获得折射率灵敏度（555.14 nm/RIU）结果接近；该传感器还展现了优良的线性响应特性，线性拟合系数可达0.9948；相比于传统无微波导的光纤法珀微腔结构，干涉光谱峰值提升了8.2 dB，折射率灵敏度提升了近4倍。

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增材制造技术因其成型方式的灵活性，非常适合制备复杂的仿生结构。这种技术能够模仿自然界中的多尺度、多材料和多功能结构，为仿生学研究提供了新的机遇。增材制造技术逐层累加材料的特点使其在制备仿生结构方面具有天然优势，不仅提升了结构的吸能、强度、刚度，还实现了传感、驱动、医学工程等多种功能

近日，重庆大学课题组，在复合材料学报上发表了《增材制造仿生结构的力学性能优化及其功能设计研究进展》。借助复合材料学报的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略关于3D打印在仿生结构方面的技术逻辑。

仿生结构通过模仿自然界动植物的结构，展现出卓越的力学性能和多种功能特性。例如，仿生管状结构、泡沫结构、夹心结构相较于普通结构具有更强的吸能特性。高强度仿生蜂窝结构和陀螺结构相较于普通结构在强度和承载能力上有显著提升。高刚度仿生结构如改善杆力学性能的新结构、珠层结构和双连续结构在刚度、冲击、弹性模量和弯曲模量上相较于传统结构有显著提高。

增材制造技术能够实现对材料的精确控制，包括材料的分布、层厚、结构的几何形状等，这使得复制自然界中精细复杂的结构成为可能。在力学性能优化方面，增材制造技术可以实现仿生结构的力学性能优化，如吸能、高强度、高刚度等，这使得复制自然界中的复杂结构在力学性能上更加精确和可靠。而在功能实现为导向的制造方面，增材制造技术还可以实现仿生结构的功能设计，如传感、驱动、医学等，这进一步增强了复制自然界结构的精确性和功能性。”

仿生结构受自然界动植物巧妙结构的启发，通常会表现出卓越的力学性能；同时，这类结构也受动植物维系生命功能天然设计的启发，能够表现出多种功能特性。得益于仿生结构突出的力学性能和强大的功能特性，其在航空航天、新能源、轨道交通甚至医学等领域都具有广泛的应用背景。

增材制造的成形方式正好十分契合仿生结构的形成，因此在研究清楚生物机理后，采用增材制造技术可以制备出具有优越力学性能和多样化功能的仿生结构。

1. 仿生管状结构、仿生泡沫结构、仿生夹心结构分别相较于普通管状结构、泡沫结构、夹心结构具有更强大的吸能特性；

2. 高强度仿生蜂窝结构（受马蹄启发的仿生蜂窝结构、多孔蜂窝结构）相较于普通蜂窝结构强度分别提升43.8%和62.1%、82.4%；高强度仿生陀螺结构（新型轻质TPMS芯夹层结构、受蝴蝶启发的超轻陀螺结构）相较于其常规结构具有更好的承载能力；

3. 高刚度仿生结构中，一种改善杆力学性能的新结构与实心杆相比，具有更高的刚度；两种珠层结构与纯几何结构相比，结构的冲击、弹性模量和弯曲模量分别提高了36%、29%和37%；双连续结构与纯陶瓷材料相比韧性提高了约116倍；

4. 通过模仿自然界中乌贼、跳蚤、细胞血管等生物结构对压电、应变、温度、湿度的感知特性，再采用增材制造技术制备的仿生传感结构具有性能优异、灵敏度高、适应性强的特点；

5. 通过模仿巴沙鱼、生物肌肉结构、含羞草等的运动机制，利用增材制造技术灵活制造的仿生驱动结构具有结构复杂、精度高、驱动性能好的特点；

6. 3D打印生物结构模仿生物结构灵巧、精密、耐久、适应性强的特点在医学领域的应用突破了很多医学技术的瓶颈，解决了骨骼、关节、半月板和皮肤再生技术，组织内部用药、神经植入监控技术等医学难题；

7. 通过模仿蝴蝶翅膀结构、树木的蒸腾过程、昆虫复眼的特点，利用增材制造技术制备，分别实现了电磁波吸收、太阳能转换、光学成像的功能。

随着仿生技术和增材制造技术越来越成熟，增材制造与仿生结构设计的结合在未来也会日趋广泛。目前利用增材制造技术制造仿生结构的相关报道仍相对偏少，这也许与增材制造技术成型过程易产生缺陷相关，但是增材制造技术成型技术的灵活性始终是科研者们选择它的一个坚定不移的理由。同时自然界中复杂结构远远超出传统的设计和制造技术的能力，这阻碍了仿生学研究的进展及其在工程系统中的使用。所以增材制造技术为模仿和制造自然界中的多尺度、多材料和多功能结构提供了新的机遇，这与增材制造逐层累加材料实现制备的成型特点离不开。采用增材制造技术制备仿生结构不仅仅在吸能、强度、刚度上有良好的提升，而且还实现了传感、驱动、医学工程等功能，这充分证明了增材制造技术与仿生结构设计相结合的重大意义。

来源
复合材料学报 l

【综述荐读】重庆大学付绍云教授团队：增材制造仿生结构的力学性能优化及其功能设计研究进展

刊名：复合材料学报

刊期：月刊

创刊时间：1984年7月

主办单位：北京航空航天大学；中国复合材料学会

出版单位：《复合材料学报》编辑部

获奖及入选核心情况：《复合材料学报》首批入选 “中国科技期刊卓越行动计划”，先后荣获“中国政府出版奖期刊奖提名奖”、“中国精品科技期刊”、“百种中国杰出学术期刊“、“中国最具国际影响力学术期刊”等，“材料科学-综合类高质量科技期刊分级目录”中的T1区期刊。《复合材料学报》被《EI》、Elsevier的《Scopus》、《EBSCO》(全文收录)、《CA》、《JST》、《Pж(AJ)》等国际著名检索数据库收录，同时为中国科技核心期刊(中国科技论文统计源期刊)、北大中文核心期刊，被《中国期刊网全文收录数据库，CNKI》、《中国科学引文数据库》、万方、维普、超星等数据库收录。

基本信息
作者：李家雨, 付宇彤* , 李元庆* , 付绍云*

单位：重庆大学　航空航天学院

收稿日期：2024-02-27；录用日期：2024-04-04

基金项目：国家自然科学基金-青年科学基金项目及重点项目(12202082；12332008)；重庆市自然科学基金面上项目(CSTB2022NSCQ-MSX0608)；第九届中国科协青年人才托举工程项目(2023QNRC001)；重庆市博士后创新人才支持计划(CQBX202206)

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根据3D科学谷的洞察，不同位错类型通过影响材料的力学性能、热稳定性和微观结构，对材料的整体性能产生重要影响。位错的存在可以显著影响材料的力学性能。因为位错之间的相互作用和交错使得它们运动困难，从而实现位错钉扎的效果。增材制造过程中位错结构的形成机理及其对力学性能的影响机制是金属增材制造领域的前沿热点。增材制造提供了一个独特的平台来研究位错理论在实际材料中的应用。通过研究增材制造合金中的位错结构，可以更好地理解位错如何在实际材料中形成、演化以及如何影响材料的性能。

近日，根据多尺度力学，上海交通大学材料学院塑性成形技术与装备研究院陈军教授课题组安大勇副教授，联合西南交通大学力学与航空航天学院张旭教授和德国马普钢铁所材料可持续合成课题组组长马焱博士（现荷兰代尔夫特大学助理教授）等，在增材制造奥氏体不锈钢胞状结构热稳定性机理研究中取得了重要进展，相关成果以“The Role of Dislocation Type in the Thermal Stability of Cellular Structures in Additively Manufactured Austenitic Stainless Steel”为题发表在Advanced Science上。

▲https://doi.org/10.1002/advs.202402962

3D科学谷洞察

位错理论是材料科学中一个相对完整地对于缺陷进行研究的理论体系，对材料的性能有着复杂而深远的影响。通过学习位错性质和它们在塑性变形过程中的作用，人类能够理解用于强化和硬化金属及它们合金的潜在方法和机制，开拓设计材料的力学性质的创新方法。而增材制造过程中的快速凝固导致高密度位错的形成，这些位错结构对材料的力学性能有显著影响。增材制造过程中的固态热循环也会导致位错结构的演变，尤其是在添加层的初期阶段。”

 提高高温性能

激光粉末床熔融技术（LPBF）可以实现金属复杂零部件的高精度成形，已经发展成航空航天等领域的关键制造技术。LPBF制备的金属材料常具有亚微米尺度的凝固胞状结构，其含有高密度位错、纳米析出相和元素偏析等，对3D打印件的力学性能具有很大的影响。由于增材制造构件常服役于高温环境，打印组织的热稳定性决定了其服役可靠性。因此，揭示影响胞状结构热稳定性的关键因素及其内在机理对评估和提高增材制造零部件高温性能至关重要。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

上海交通大学材料学院塑性成形技术与装备研究院陈军教授课题组安大勇副教授，联合西南交通大学力学与航空航天学院张旭教授和德国马普钢铁所材料可持续合成课题组组长马焱博士（现荷兰代尔夫特大学助理教授）等的研究通过原位电子通衬度成像（ECCI）、高分辨电子背散射衍射（HR-EBSD）等先进表征技术结合三维离散位错动力学（3D-DDD）模拟手段，系统性揭示了凝固胞状结构中不同位错类型的形成机理及其对热稳定性的影响。

如图1所示，研究发现：位错胞中绝大部分位错为统计储存位错（SSD），因此其取向差极小（<0.1°）。亚晶界（SGB）往往与凝固胞状结构边界重合，并且具有更高的几何必需位错（GND）。TEM-EDS结合HR-EBSD结果表明，在存在Cr元素偏析的位错胞中，螺位错类型占主导地位。而在Cr元素无明显偏析的位错胞中，探测到了刃位错为主的位错结构。

上述结果表明：不同位错类型与Cr元素偏析相关，这是由于Cr元素偏析导致局部层错能的下降，大大提高了该区域螺位错的稳定性，最终形成螺位错占主导的位错结构。

▲图1胞状结构种不同位错类型的形成机理

研究团队进一步阐明了不同位错类型对胞状结构热稳定性的影响规律及其内在机理（图2）：螺位错可以促进位错从位错胞/SGBs中脱钉，导致其具有较高的迁移/湮灭能力。相比之下，刃位错占主导的位错结构迁移需要位错之间相互协同运动，大大降低了其迁移速度，从而表现出更高的热稳定性。SGBs迁移过程中，不断捕获相邻的位错，因此，其取向差的增大或降低取决于相邻位错的符号。

本研究强调了位错类型在凝固胞状结构热稳定性中的重要作用。此外，研究成果还为如何通过调节局部化学成分/层错能实现对位错类型的调控提供新的思路。

▲图2位错类型对亚晶界/位错胞热稳定性影响

研究团队感谢云耀深维（江苏）在LPBF样品制备上提供的技术支持。上述研究工作得到了国家自然科学基金（52101022, 12222209, 52101202）和国家重点研发计划（2022YFE0196600）的资助，也是团队近期在增材制造奥氏体不锈钢凝固胞状结构演变机理（Materials Research Letters 2024, 12(1):42-49）和高强韧机理（International Journal of Plasticity, 2023,170:103769）基础上的进一步拓展。

来源
多尺度力学 l

上海交大材料学院安大勇副教授、陈军教授团队在Advanced Science上发表增材制造奥氏体不锈钢胞状结构热稳定机理研究成果

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本期，借助材料设计的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略掺钼的FeCoCrNi高熵合金（HEA）如何成为在这种极端环境中使用的候选材料。

▲论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104142

3D科学谷洞察
Mo的添加对高熵合金的影响

1. 显微组织与力学性能变化：随着Mo含量的增加，FeCrCoNiMox高熵合金的显微组织由单相FCC中心立方固溶体组织可能逐渐转变为FCC+σ相和FCC+σ+μ相，这种组织的变化影响了合金的硬度，提升了屈服强度、抗拉强度和伸长率等力学性能。

2. 腐蚀行为：Mo含量对FeCoCrNiMox高熵合金的组织和腐蚀行为有显著影响。在FeCoCrNiMo0.3合金中形成沉淀，在FeCoCrNiMo0.6合金中增加。Cr2O3/Cr(OH)3的高比率和Mo氧化物的掺入使钝化膜更具保护性，从而提高了FeCoCrNiMo0.1合金的耐腐蚀性

3. 析氢反应性能：钼含量和热处理对FeCoCrNiMox高熵合金析氢反应性能和显微组织有影响。随着Mo含量的增加，显微组织由FCC相转变为FCC+σ相，最后可能转变为FCC+σ+μ相。FeCoCrNiMo HEA具有优异的催化性能，可以通过固溶和时效处理进一步改进。

4. 耐蚀性能：Mo含量对CoCrFeNiMo高熵合金组织及耐蚀性能有影响。随着Mo元素含量增加，合金腐蚀电位逐渐提高，极化电流不断减小，钝化区明显增大，表明Mo的增加提高了合金的耐蚀性能。”

 强度-延展性协同效应的根源

结构金属在极端环境中的应用需要具有优异力学性能的材料。掺钼的FeCoCrNi高熵合金（HEA）已成为在这种极端环境中使用的候选材料。

来自哈尔滨工业大以及韩国、瑞典等研究机构的合作研究表明通过对激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造不同钼含量（x=0、0.1、0.3和0.5）的FeCrCoNiMoₓ高熵合金的高温性能进行研究。在室温和600°C下对力学性能进行评估，并使用扫描电子显微镜、电子背散射衍射、能量色散X射线光谱和透射电子显微镜对微观结构进行了表征。

结果表明内在位错、固溶强化、纳米沉淀和孪晶效应共同调节了样品的塑性变形行为。结合第一性原理计算和分子动力学模拟对高温力学性能进行了全面分析，以揭示实验中观察到的FeCoCrNiMo₀.₃强度-延展性协同效应的根源。

本项工作对FeCrCoNiMoₓ高熵合金具有重要意义，并拓展了我们对增材制造高熵合金优异力学性能的结构起源的理解。

相关成果以“Multiscale plastic deformation in additively manufactured FeCoCrNiMox high-entropy alloys to achieve strength–ductility synergy at elevated temperatures”为题刊登在International Journal of Plasticity上。

【创新点】

• 通过L-PBF制备无缺陷的FeNiCrCoMoₓ高熵合金。
• 掺钼HEA呈现出多尺度强化机制。
• 钼在25°C时降低堆垛层错能，促进孪晶形成。
• 在600°C时，孪晶仅在FeNiCrCoMo₀.₃和FeNiCrCoMo₀.₅中存在。
• 添加7-11at%（原子百分比）的钼有助于在600°C时实现强度-延展性协同。

【数据概况】

图1. L-PBF增材制造程序和制备的拉伸测试样品。

图2. L-PBF增材制造FeCrCoNiMoₓ HEA的拉伸性能。（x=0、0.1、0.3和0.5）

图3. FeCrCoNiMoₓ样品的典型微观结构。

图4. FeCrCoNiMoₓ样品在室温（25℃）拉伸试验下颈缩后变形阶段的变形微观结构演变。明场和暗场TEM图像揭示了FeCoCrNiMoₓ HEA 的不同孪晶效应：（a）Mo0、（b）Mo1、（c）Mo3和（d）Mo5。

图5. FeCrCoNiMoₓ样品在600℃拉伸变形后，颈缩断裂状态下的变形微观结构演变：（a）Mo0、（b）Mo1、（c）Mo3和（d）Mo5。

图6. （a）Mo3和（b）Mo5样品在25°C下拉伸变形后的颈缩断裂形态。

【结论展望】

本项研究系统地研究了通过激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造的、不同钼含量的FeCrCoNiMoₓ HEA在室温和高温（分别为25℃和600℃）下的力学性能。并进行了包括扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和定量模拟在内的多尺度分析，以评估微观结构演变和拉伸变形，并阐明其潜在机制。相关结论如下：

1. L – PBF工艺处理的FeCrCoNiMoₓ试样基体近无缺陷，有明显位错胞图案。添加钼（2.44、6.98和11.11at%）后，σ相沉淀增加，位错胞壁更清晰。

2. 结合计算、模拟和TEM观察，FeNiCrCoMoₓ高熵合金SFE随钼增而降、高温升高。室温下所有样品易孪晶，600°C时仅含特定钼量（可能x=0.3）样品有孪晶。

3. 向FeCoCrNi基体加钼促进固溶和沉淀强化。利用L-PBF特性引入适量钼（7-11at%）实现微观结构精确控制，调控多种强化机制。FeCrCoNiMoₓ（x=0.3-0.5）室温成型性改善、高温强度-延展性协同增强，YS、UTS和均匀伸长率分别达580MPa、800MPa和20%。

本研究展示了FCC结构FeCrCoNiMoₓ高熵合金加工、微观结构和力学性能关系。多尺度研究促进对掺钼高熵合金变形机制理解，基于关键微观结构特征，验证L-PBF调控强化机制可行性。传统方法无法捕捉高温微观结构和孪晶过程，通过计算和模拟揭示，结合实验与模拟全面分析塑性变形机制，本项工作为新材料开发提供了见解，并证明其在科学和工程领域的价值。

来源
材料设计 l

IJP重磅成果！L-PBF增材制造FeCrCoNiMoₓ高熵合金，极端环境中的力学性能“强者”！

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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，层状复合钛合金在航空航天领域的具体应用非常广泛，主要包括飞机结构部件：层状复合钛合金被用于制造飞机的骨架、舱门、液压管路及接头、起落架、蒙皮、铆钉、翼梁等关键结构部件。这些部件需要具有高的比强度、韧性、抗疲劳性能以及良好的焊接工艺性能。航空发动机部件：在航空发动机中，层状复合钛合金主要用于制造压气机叶片、盘和机匣等零件。这些部件需要在高温下保持比强度、热稳定性、抗氧化性以及抗蠕变等性能。例如，F-22战斗机所用F119发动机的风扇就采用了宽弦空心钛合金叶片，以提高推重比。航天器和火箭部件：在航天领域，层状复合钛合金被用于制造火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管、导弹外壳、宇宙飞船的船舱或燃料和氧化剂储存箱等。这些部件除了需要满足航空用钛合金的性能要求外，还必须具有耐高温、耐低温、抗辐射等性能。

层状复合钛合金的应用不仅提高了飞行器的性能，还有助于减轻结构重量，提高燃油效率，并确保在极端条件下的可靠性和耐久性。

近日，沈阳飞机工业（集团）有限公司“高性能金属增材制造”团队综述了层状复合钛合金研究进展，阐明了以服役需求为牵引，结合合理层间过渡的层状钛合金结构设计方法，展望了增材制造层状复合钛合金的未来发展方向。

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3D打印在这一领域的发展现状与发展逻辑。

增材制造技术，特别是激光定向能量沉积、电弧熔丝增材和电子束熔丝增材制造，为层状复合钛合金的制备提供了灵活便捷的手段。这些技术能够制造具有复杂或细微特征的多材料零件，并实现力学性能、磁学性能等梯度变化的便捷成形。增材制造技术能够实现成型件内部层间结合紧密，提高了结构的完整性和可靠性。层状复合钛合金通过增材制造技术的应用，可以减少材料间的薄弱连接界面和缝隙，从而提高整体结构的性能。”

 研究背景

层状复合钛合金是指将不同的钛合金材料按照性能需求进行设计和分布而成的一体化新型金属结构，具有力学性能逐层变化、材料布局高可设计性的特点。使用层状复合钛合金结构，与均质零部件相比能够有效减重、提升疲劳寿命和降低成本，在实现承载的同时，还可以使零部件具备耐热、耐蚀和耐磨特性。增材制造是制备层状复合钛合金结构的重要手段，不仅能够便捷灵活地调控材料分布，还可实现样件快速试制，在研制层状复合钛合金方面前景广阔。本文系统介绍了层状复合金属的优势及结构设计方法，在此基础上，着重汇总现阶段层状复合钛合金激光定向能量沉积、电弧熔丝增材和电子束熔丝增材制造的研究现状，并对未来增材制造层状复合钛合金的关键问题进行展望。

  文章亮点

综述了层状复合钛合金研究进展，阐明了以服役需求为牵引，结合合理层间过渡的层状钛合金结构设计方法，展望了增材制造层状复合钛合金的未来发展方向。

 图文解析

层状复合钛合金结构能够实现承载、减重、耐热、耐蚀和耐磨等多功能集成一体化，在航空航天领域前景广阔。根据翼肋部件各部位差异化服役性能需求，使用激光定向能量沉积制造的层状复合整体翼肋部件，如图1所示，有效减少疲劳裂纹源，提升了飞行器机体结构效率和材料利用率。

图1 层状复合钛合金制件示意图及复合翼肋结构

合理的结构设计，是获得高质量层状复合金属制件的根本。图2为三种典型层状复合金属结构层间过渡方式：1）直接过渡（图2a）；2）成分过渡（图2b）；3）阻挡层过渡（图2c）。直接过渡时异质界面自然过渡。采取成分过渡时，通过调控制备工艺得到一定厚度的成分渐变层，完成100%金属A向100%金属B的转变，过渡层内沿厚度方向A与B元素含量梯度变化。采取阻挡层过渡时，引入外加金属组元C构成异质层间的阻挡层，阻挡层既完成层间性能过渡，也抑制A与B交互扩散形成脆性金属间化合物。

图2 直接过渡、成分过渡和阻挡层过渡层状复合金属结构示意图(A、B和C对应各层内金属组元)

对于存在多种金属间化合物的层状金属体系，合理的阻挡层对于保持结构完整性至关重要。图3为采取阻挡层和成分过渡的Zr-Cu层状复合体系。仅成分过渡时，过渡层锆-铜比均位于Cu10Zr7-CuZr2金属间化合物区间，跨层开裂。相比之下，选取与铜或锆无化合物的铌作为阻挡层的Zr/Nb/Cu层状结构，不仅降低了开裂倾向，还更好地释放致热应力。

图3 Zr/Cu层状复合结构，Zr/Nb/Cu层状复合结构

增材制造相比其他制造方式，因使用高能束而具备如下优势：1）可成形具复杂或细微特征的多材料零件；2）便捷成形力学性能、磁学性能等梯度变化零件；3）成型件内部层间结合紧密。现阶段，层状复合结构的增材制造方式以激光定向能量沉积、电弧熔丝增材和电子束熔丝增材为主。使用激光定向能量沉积技术（图4）时，金属粉末与激光束能量同步送进至成形区域。激光束作为能量来源，汇聚于基板表面特定区域以形成熔池，自熔覆头喷出的金属粉末进入熔池受热熔化，熔池在激光束远离后迅速凝固成形，凝固速率可达1012 K/s，使用多个送粉桶配合粉桶转速变化，可以实时调控增材层的成分，以制备层状复合金属结构。

图4激光定向能量沉积示意图

图5为采取激光定向能量沉积增材制造技术研制的Ti2AlNb/TA15层状复合变直径环形样件，整体高约60 mm，成形良好无裂纹形成。针对航空发动机进气道高温段和中低温段差异化服役温度的特点，提出耐高温Ti2AlNb合金与轻质TA15合金复合的结构方案。在异质合金层间设置TA15-80Ti2AlNb成分过渡层后，制件力学性能优异，沉积方向抗拉强度达到1058 MPa，伸长率8%，且拉伸断裂发生于TA15侧。

图5　Ti2AlNb/TA15层状复合变直径环形样件

图6为电弧熔丝增材制造技术原理图，得益于电弧热源加热熔化，电弧熔丝增材具有成本低、堆积速度快、制造尺寸形状自由及对金属材质不敏感等优点。成形表面形成熔池后，送丝机构将金属丝材同步送进成形区域，熔池在电弧远离后迅速凝固。电弧受程序控制沿着特定轨迹运动，依照三维模型的线-面-体逐步实现实体制造。增材过程中，使用双丝或多丝送进机构配合送丝速率调节，可实现层状复合结构的实时成分调控。

图6　电弧熔丝增材制造示意图

图7为采取双丝等离子体电弧热源进行交替沉积制造的TC4/TA2层状复合钛合金薄墙结构，整体尺寸160 mm×7 mm× 38 mm，TC4-TA2层状结构的设计灵感源于贝壳壳体的“砖-泥”软硬复合结构。TC4由网篮组织和集束组织构成。TA2微观组织主要为α片层。层状复合试样扫描方向和沉积方向的抗压强度相近，约2.0 GPa，沉积方向断裂应变为0.33，相比扫描方向（0.24）提升37.5%，具备更高的塑性变形能力。

图7　 TA2/TC4异质层状复合钛合金截面结构

尽管层状复合钛合金结构应用前景广阔，但现阶段仍存在异质界面组织结构复杂、界面性能薄弱及热处理制度匮乏等问题。过渡区在高能束作用下易于形成成分偏离预设区间的元素交互扩散层和脆性有害相，且多材料界面失效机制尚未建立。此外，包含多种钛合金的层状结构难以通过纯材料的热处理制度进行强化。后续，应进一步挖掘异质界面多尺度强化技术、探明残余应力控制手段、构建专用热处理制度，并建立异质界面失效机制，以推动层状复合钛合金的工程化应用。

 研究结论

（1）层状复合金属结构能够自由调控材料布局并实现力学等性能梯度变化。基于增材制造开发层状复合钛合金，同时发挥多种钛合金的性能优势，是突破传统制造的“刚性”和“离散”壁垒的有效途径，在航空、航天、海洋领域应用前景广阔。

（2）层状金属的结构设计以制件具体服役性能需求为牵引，结合合理的层间过渡。界面成分及性能的梯度过渡是保障层状金属结构完整性的关键，在层间成分过渡和阻挡层过渡方面已具备较为全面的设计理论。

（3）现阶段，层状复合钛合金主要激光定向能量沉积、电弧熔丝增材和电子束熔丝增材进行研制，并在参数影响规律、缺陷调控和性能优化等方面取得进展。后续应进一步探索过渡区组织性能优化方法、控制残余应力提升成形精度，并构建异质层状结构界面失效机制，以推动层状复合钛合金应用。

来源
中国有色金属学报 

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