美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员近日开发出一种用于金属增材制造的激光搅拌方法，该方法专为解决高熵合金（HEA）在3D打印中均匀混合的难题而设计。

高熵合金包含多种大致等比例的金属，这使其在高温下具备性能优势，成为喷气发动机和核反应堆部件的候选材料。然而，由于组成金属的密度、熔点和表面张力不同，冷却时容易分离成离散区域，生产面临挑战。

“高熵合金需要混合到原子级别，”共同领导该项目的NIST物理学家范·张（Fan Zhang）表示，“要让金属以这些比例混合在一起需要额外的努力。”

金属3D打印被视为绕过传统铸造局限性的潜在途径。“用铸造等传统方法制造高熵合金零件很困难，”张说，“但我们相信金属3D打印可能是一种解决方案。”

NIST团队的方法修改了激光在激光粉末床熔融过程中的移动方式。研究人员何阳（Ho Yeung）引导激光绘制椭圆环形图案，而非传统的直线路径，从而在形成时主动搅拌熔化的金属池。

“商业3D打印机的软件无法生成这些图案，”何阳解释说，“它们对激光路径的调整非常有限，所以我们不得不从头编写软件。”由于该技术不需要新硬件，现有的金属3D打印机原则上可通过重新编程来使用。

该方法通过组合一种致密的高熵合金RHEA-19和一种轻质钛合金进行测试。为确认混合成功，NIST与阿贡国家实验室的先进光子源（APS）合作，利用体育场大小的同步加速器设施产生极高亮度的X射线束，在不到一秒内实时观察金属从液态转变为固态时的原子级结构变化。

“APS是世界上少数几个功率足够强大、让我们能够进行这种测量的光子源之一，”张表示。

除高熵合金外，研究人员指出这种搅拌技术还能支持在打印机内部进行更广泛的按需合金化，即组合元素金属粉末而非依赖预合金化原料。一台储备多种元素粉末的机器可生产一系列合金，从而降低材料成本并扩展可打印成分范围。该方法还可用于在单个零件内连续改变合金成分——例如，一个喷气涡轮叶片可直接从多种金属打印出来，无需焊接接头。

“我们希望加速合金制造，”何阳说，“金属3D打印有潜力制造出以前不可能制造的零件。”

该研究成果已发表在《增材制造》（Additive Manufacturing）期刊上。