北京
2026年6月，南极熊获悉，美国国家标准与技术研究院（NIST）研究人员开发出一种基于激光的新型方法，有望简化世界上一些最坚硬金属合金的制造过程。他们的突破性成果利用特殊编程的激光在3D打印过程中“搅拌”熔融金属池，从而帮助不同元素在原子层面上更均匀地混合。这项进展为生产用于喷气发动机、核反应堆和其它必须在极端条件下工作的设备提供了新的高性能材料路径。
△新型激光搅拌技术帮助 3D 打印机制造难以制造的高熵金属合金
为什么高熵合金难以制造
高熵合金（HEA）由五种或更多金属以近等比例构成，这种“多金属等量”的结构赋予它远超传统合金的强度、耐腐蚀性和抗氧化性，是喷气发动机叶片、核反应堆部件的理想材料。
然而，这种成分特点也给制造带来了巨大挑战。不同金属的密度、熔点和表面张力差异悬殊，在传统铸造过程中极易在冷却时发生相分离，导致成分不均匀，从而严重削弱零件性能。
为了实时观察这一过程，NIST团队开创性地采用了高能X射线衍射技术。该技术利用X射线穿透正在冷却的金属，与原子发生反射后，通过分析另一侧的衍射图谱，来确定原子的排列方式。
NIST物理学家Fan Zhang表示：“高熵合金需要混合到原子级别。要让金属按这些比例混合在一起，需要付出额外的努力。用传统方法很难，但我们相信金属3D打印可以解决这个问题。”
△这项研究最具挑战性的部分之一，是如何在金属冷却过程中观察原子级内部结构。为此，NIST开创性地采用了X射线衍射技术：让X射线穿过金属，与部分原子发生反射，再分析另一侧的衍射图谱，从而确定原子的排列方式
重新编程激光器以搅拌熔融金属
NIST团队的方法改变了激光在激光粉末床熔融过程中的运动方式。研究员Ho Yeung没有让激光沿着传统的直线路径穿过粉末床，而是引导激光沿着椭圆形环状图案运动，从而在熔融金属池形成过程中对它进行主动搅拌。
Yeung解释说：“商用3D打印软件无法制作这些图案。它们对激光路径的调整非常有限，所以我们不得不从头开始编写软件。”
由于这项技术不需要新的硬件，因此原则上可以重新编程现有的金属3D打印机来使用它。
该方法通过混合两种性质截然不同的材料进行测试：一种是高熵致密合金RHEA-19，另一种是轻质钛合金。为了验证混合是否成功，NIST与阿贡国家实验室的先进光子源（APS）合作。APS是一个体育场大小的同步辐射装置，它产生的X射线束亮度比牙科成像所用X射线束高约5000亿倍。这些X射线束使研究人员能够实时观察金属在不到一秒的时间内从液态转变为固态过程中原子级的结构变化。
Zhang补充道：“APS是世界上为数不多的几个足够强大的光子源之一，可以让我们进行这种类型的测量。”
一台机器打印多种合金成分
这项研究的意义不止于高熵合金本身。研究人员指出，这种搅拌技术还可支持“按需合金化”——直接在打印机内混合元素金属粉末，无需依赖预合金原料。
这意味着，一台装有不同元素粉末的机器，就可以按需配比生产一系列合金，降低材料成本，扩展可打印的合金成分范围。研究团队已验证了2.4mm厚的Ti-6Al-4V/RHEA-19/Ti-6Al-4V三明治结构，界面处成功形成单一BCC相，未见不良相分离。
更进一步，这项技术可在单个零件内实现连续变化的合金成分。例如，喷气式涡轮叶片可由成分渐变的多种金属打印而成，无需焊接接头，突破了传统制造的结构限制。
Ho Yeung表示：“我们希望加快合金制造速度。金属3D打印技术有潜力制造出以前无法制造的零件。”
总的来说，NIST这项研究的核心不是打印成功，而是把合金成分的决定权，从“粉末生产阶段”移到了“激光打印阶段”。这对金属增材制造供应链的影响是深远的。
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