重新定義冶金學！加州理工學院通過3D打印設計合金成分，將銅鎳合金強度提升四倍

2025年8月3日，南極熊獲悉，來自加州理工學院的科學家們開發(fā)了一種新方法，可以制造形狀和成分均精確可控的金屬物體，從而對合金及其性能進行前所未有的控制。這項進展有望用于生產(chǎn)“生物相容性強且機械強度高”的支架，或“堅固輕便”的衛(wèi)星部件，以滿足在太空中的長期使用需求。3D打印技術能夠確定最佳的金屬組合，以實現(xiàn)預期效果，甚至可以制造出強度超乎尋常的銅鎳合金。

相關研究成果以題為“Multiscale Microstructural andMechanical Characterization of Cu–Ni Binary Alloys Reduced During HydrogelInfusion-Based Additive Manufacturing (HIAM)/基于水凝膠灌注的增材制造（HIAM）過程中Cu-Ni二元合金的多尺度微觀結構和機械特性”的論文發(fā)表在《Small》雜志上。研究得到了美國能源部和國家科學基金會的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202501320

加州理工學院材料科學、力學和醫(yī)學工程系Ruben F.和Donna Mettler教授兼應用物理和材料科學執(zhí)行官Julia R. Greer說道：“回顧幾個世紀以來冶金學的發(fā)展歷程，大致來說，幾乎總是從原礦開始，然后經(jīng)過熱處理和/或化學處理和精煉，才能生產(chǎn)出所需的金屬或合金。而基本上，這種方式生產(chǎn)的金屬的機械性能是有限的。我們此次所展示的是，你實際上可以微調(diào)金屬材料的化學成分和微觀結構，從而顯著提高它們的機械彈性?！?/div>

△加州理工學院 Ruben F. 和 Donna Mettler 材料科學、力學和醫(yī)學工程教授兼應用物理和材料科學執(zhí)行官 Julia Greer。圖片來源：EAS 通訊辦公室/加州理工學院

這種方法由 Thomas T. Tran（2025 年博士）開發(fā)，Rebecca Gallivan（2023 年博士）為第二作者，基于 Greer 實驗室早期使用水凝膠灌注增材制造 (HIAM)技術。此前，HIAM 只能打印一種金屬。Tran 對其進行了擴展，能夠打印成分各異的銅鎳合金，而這些成分會顯著影響最終材料的性質(zhì)。

△使用水凝膠灌注增材制造技術（HIAM）制造銅鎳合金的工藝路線。圖片來源：Thomas Tran/加州理工學院。

HIAM工藝首先通過3D打印逐層打印水凝膠支架。支架浸泡在金屬鹽溶液中。經(jīng)過煅燒（燒去有機物）后，金屬氧化物殘留，之后進行還原退火：在富氫環(huán)境中加熱，去除氧氣，留下金屬合金。

△HIAM 的最后一步是去除氧氣，留下一種基本致密的銅鎳合金，并形成所需的 3D 打印結構。這里選擇了蜂窩結構。圖片來源：Thomas Tran/加州理工學院

Greer說道：“成分可以按照你喜歡的方式改變，這在傳統(tǒng)的冶金工藝中是無法實現(xiàn)的。我們的一位同事稱這項工作將冶金學帶入了21世紀?！?/div>

Gallivan則表示：“這為以不同于其他微尺度增材制造技術的獨特方式思考3D打印合金設計奠定了基礎。我們發(fā)現(xiàn)，與其他方法相比，加工環(huán)境會導致截然不同的微觀結構?！?/div>

Tran 解釋說，加州理工學院的研究人員利用加州大學歐文分校材料研究所的透射電子顯微鏡 (TEM) 證明，使用 HIAM 方法生產(chǎn)的合金形態(tài)更加均勻，從而提高了整個晶體結構的對稱性。金屬晶粒的形狀、大小和取向受還原退火過程中氧化物與金屬之間轉變的影響。在高溫下，水蒸氣逸出時會形成孔隙。這些孔隙和氧化物會減緩金屬晶粒的生長速度。這項新研究表明，這種生長速度受 3D 打印金屬中存在的氧化物類型的影響。

△加州理工學院的科學家們利用HIAM技術制造了他們制備的合金的微小柱狀物，并進行了機械測試。圖中顯示了由三種不同合金制成的柱狀物的強度（沿y軸）隨柱狀物尺寸的變化。柱狀物的強度不僅取決于尺寸，還取決于HIAM技術產(chǎn)生的納米級缺陷的數(shù)量，而這些缺陷的數(shù)量會隨著成分的變化而變化。圖片來源：Thomas Tran/加州理工學院

因此，新論文表明，HIAM 制備的合金強度不僅取決于金屬內(nèi)部晶粒的大小（正如之前所認為的那樣），還取決于成分。例如，Cu12Ni88 合金中每 88 個鎳原子對應 12 個銅原子，強度幾乎是Cu59Ni41 合金（銅和鎳的比例為 59/41）的四倍。

TEM 研究還表明，HIAM 工藝會在這些合金中留下微小的氧化物夾雜物，這有助于材料獲得卓越的強度。Tran 說道：“由于金屬在此過程中形成的方式非常復雜，我們發(fā)現(xiàn)納米級結構富含金屬-氧化物界面，這有助于將合金的硬度提高多達四倍?！?/div>