北京
2026年6月，南極熊獲悉，美國國家標準與技術研究院（NIST）研究人員開發出一種基于激光的新型方法，有望簡化世界上一些最堅硬金屬合金的制造過程。他們的突破性成果利用特殊編程的激光在3D打印過程中“攪拌”熔融金屬池，從而幫助不同元素在原子層面上更均勻地混合。這項進展為生產用于噴氣發動機、核反應堆和其它必須在極端條件下工作的設備提供了新的高性能材料路徑。
△新型激光攪拌技術幫助 3D 打印機制造難以制造的高熵金屬合金
為什么高熵合金難以制造
高熵合金（HEA）由五種或更多金屬以近等比例構成，這種“多金屬等量”的結構賦予它遠超傳統合金的強度、耐腐蝕性和抗氧化性，是噴氣發動機葉片、核反應堆部件的理想材料。
然而，這種成分特點也給制造帶來了巨大挑戰。不同金屬的密度、熔點和表面張力差異懸殊，在傳統鑄造過程中極易在冷卻時發生相分離，導致成分不均勻，從而嚴重削弱零件性能。
為了實時觀察這一過程，NIST團隊開創性地采用了高能X射線衍射技術。該技術利用X射線穿透正在冷卻的金屬，與原子發生反射后，通過分析另一側的衍射圖譜，來確定原子的排列方式。
NIST物理學家Fan Zhang表示：“高熵合金需要混合到原子級別。要讓金屬按這些比例混合在一起，需要付出額外的努力。用傳統方法很難，但我們相信金屬3D打印可以解決這個問題。”
△這項研究最具挑戰性的部分之一，是如何在金屬冷卻過程中觀察原子級內部結構。為此，NIST開創性地采用了X射線衍射技術：讓X射線穿過金屬，與部分原子發生反射，再分析另一側的衍射圖譜，從而確定原子的排列方式
重新編程激光器以攪拌熔融金屬
NIST團隊的方法改變了激光在激光粉末床熔融過程中的運動方式。研究員Ho Yeung沒有讓激光沿著傳統的直線路徑穿過粉末床，而是引導激光沿著橢圓形環狀圖案運動，從而在熔融金屬池形成過程中對它進行主動攪拌。
Yeung解釋說：“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，所以我們不得不從頭開始編寫軟件。”
由于這項技術不需要新的硬件，因此原則上可以重新編程現有的金屬3D打印機來使用它。
該方法通過混合兩種性質截然不同的材料進行測試：一種是高熵致密合金RHEA-19，另一種是輕質鈦合金。為了驗證混合是否成功，NIST與阿貢國家實驗室的先進光子源（APS）合作。APS是一個體育場大小的同步輻射裝置，它產生的X射線束亮度比牙科成像所用X射線束高約5000億倍。這些X射線束使研究人員能夠實時觀察金屬在不到一秒的時間內從液態轉變為固態過程中原子級的結構變化。
Zhang補充道：“APS是世界上為數不多的幾個足夠強大的光子源之一，可以讓我們進行這種類型的測量。”
一臺機器打印多種合金成分
這項研究的意義不止于高熵合金本身。研究人員指出，這種攪拌技術還可支持“按需合金化”——直接在打印機內混合元素金屬粉末，無需依賴預合金原料。
這意味著，一臺裝有不同元素粉末的機器，就可以按需配比生產一系列合金，降低材料成本，擴展可打印的合金成分范圍。研究團隊已驗證了2.4mm厚的Ti-6Al-4V/RHEA-19/Ti-6Al-4V三明治結構，界面處成功形成單一BCC相，未見不良相分離。
更進一步，這項技術可在單個零件內實現連續變化的合金成分。例如，噴氣式渦輪葉片可由成分漸變的多種金屬打印而成，無需焊接接頭，突破了傳統制造的結構限制。
Ho Yeung表示：“我們希望加快合金制造速度。金屬3D打印技術有潛力制造出以前無法制造的零件。”
總的來說，NIST這項研究的核心不是打印成功，而是把合金成分的決定權，從“粉末生產階段”移到了“激光打印階段”。這對金屬增材制造供應鏈的影響是深遠的。
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