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3D打印技術參考注意到，美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的研究人員，發明了一種優化的掃描策略，能夠在3D打印過程利用激光攪拌金屬，從而提升高熵合金的元素混合水平。
其驗證結果證實了這種方法的有效性，為3D打印新型合金、成分梯度材料，或者多材料金屬3D打印，提供了重要思路。
傳統制造難點：元素充分混合困難
傳統合金大多由一種基體金屬加上少量其他元素構成。例如，鋼合金幾乎完全由鐵組成，只含有少量碳，添加鎳或鉻等其他元素可以提高鋼的強度或耐腐蝕性。
高熵合金打破了這種模式，它們包含更多種類的金屬，且各金屬的比例更加均衡。例如，一種高熵合金可能由五種不同的金屬各占20%組成。
在原子層面上，高熵合金具有獨特的原子排列方式，這可以提升其高溫性能，非常適合那些需要在高溫下保持強度的應用，例如噴氣發動機或核反應堆。
但同時，高熵合金的制造難度也更大。不同的金屬具有不同的密度、熔點、表面張力和其他特性，這些特性會導致熔融金屬冷卻時發生分離，合金的成分自然而然地會分離成一個個不同的區域，從而削弱金屬的整體強度。
優化掃描策略，實現“激光攪拌”
NIST的研究人員認為，通過優化的金屬3D打印熔融過程，可以讓鉻元素之間快速混合，從而實現高質量制造。
常規的LPBF工藝過程中，當激光束掃過時，金屬粉末會在極短的時間內熔化成一個微小的液滴。在這個液滴中，不同的金屬元素會因為高溫而發生輕微混合，但這種混合程度不足以形成像高熵合金這樣復雜的合金。
因此，NIST的研究團隊并沒有讓激光畫直線，而是引導激光在移動過程中畫環形軌跡，從而在金屬熔化時將其攪拌在一起。
研究人員表示，商用3D打印軟件無法制作這些圖案。它們對激光路徑的調整非常有限，所以他們不得不從頭開始編寫軟件。
筆者查詢到，他們開發了一套點對點控制平臺，能夠在10微妙級別的極端時間內適時調整激光功率、掃描速度和位置，實現了傳統G-code無法實現的復雜掃描路徑。
具體的掃描方式是這樣的，激光光斑一遍延主掃描方向前進，一遍在另一個方向上畫橢圓。
這種策略的關鍵創新在于，通過調節橢圓形軌跡的長短軸和掃描間距，能夠改變熱流方向，誘導多軸馬蘭戈尼對流，從而增強熔池內的混合。相比傳統掃描方式，新開發的方法能夠延長熔池的熔凝時間，有利于高熔點材料的熔化和擴散。
成功打印高質量“三明治”結構
為了驗證方法是否有效，研究人員進行了一項極具挑戰性的測試：制作了由Ti6Al4V—RHEA-19高熵合金—Ti6Al4V構成的三明治結構。
該結構的總厚度為2.4mm，上中下三層各0.8mm。
研究指出，這兩種材料極難混合，它們的熔點、密度、粘度、溶解度和擴散率均存在顯著不匹配。
這里有一個問題在開始時困擾了筆者，既然是讓高熵合金的元素混合更加均勻，為什么要用兩種不同的粉末混合打?。?/p>
進一步的查閱發現，研究人員的主要研究區域為這兩種材料的熔合區。
實驗結果證實，熔合區域僅有單一的BCC相，而如果混合失敗，在富Ti區就會形成HCP α 相。這也就意味著，NIST開發的這項技術非常成功。
可以預見，這項技術不僅可以用于制造高熵合金，還可以用于高質量的打印成分梯度材料。因為，多材料打印的一大難點就是界面結合強度不夠，而這項技術顯然對解決該問題具有重要幫助。
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