佐治亚理工学院的Ting Zhu课题组和马萨诸塞大学阿默斯特分校的Wen Chen课题组合作在Nature 杂志上发表论文，利用3D打印技术实现了一种兼具高强度和高韧性的双相纳米结构高熵合金的制备和成型。材料的屈服强度达1.3 GPa、均匀伸长率达14%，超过了报道的其他最先进的3D打印金属合金。该技术在能源、生物医学、航天航空和运输等领域具有潜在的应用价值。

传统的固化方式，高熵合金的微观片层的厚度通常在微米范围，这限制了其机械强度。研究者使用3D打印技术为激光粉床熔合（Laser powder bed fusion，L-PBF），这种技术涉及大温度梯度和快速冷却，产生了具有高度亚稳态的分级微观结构。通过调整激光功率和扫描速度，打印出的AlCoCrFeNi2.1高熵合金，微观呈现出明显的双相共晶结构，由面心立方（fcc）和体心立方（bcc）纳米层交替组成，其厚度分别为151 ± 39 nm和64 ± 24 nm，长度为20-30 μm和2-6 μm。其中，fcc相和bcc相均为固溶体，呈现为金属合金中典型的Kurdjumov–Sachs取向关系，即{111}fcc||{110}bcc且<110>fcc||<111>bcc，二者质量分数分别为67%和33%，晶格失配仅为2.3%。共晶的形状和取向几乎完全随机，这可能源于生长层和凝固层部分重熔引起的外延生长之间的相互作用，并抑制了织构形成。研究者打印了几种具有代表性的工程部件，包括散热器风扇、八位组桁架、齿轮等，这证明了3D打印这种共晶高熵合金对于各种复杂几何结构都有很好的适应性。

该材料的屈服强度可达1.3 GPa，均匀伸长率为14%，对应的极限抗拉强度为1640 ± 38 MPa。高熵合金的共晶纳米层表现出近似各向同性的力学行为，拉伸断裂后的样品显示为微凹陷的“杯形和锥形”断裂表面，说明为韧性断裂。此外，后续热处理可以进一步调节其机械性能，比如，800 ℃退火1小时后，伸长率可超过20%，屈服强度为~1 GPa；600 ℃退火5小时后，伸长率为7.5%，屈服强度为~1.6 GPa。

这种高熵合金的高屈服强度主要来自于双相纳米层状结构的强化效应，纳米厚度使其界面可以对位错滑移施加更强烈的相互约束作用。晶格应变响应可分为三个阶段，在高达约14%的拉伸应变下，bcc和fcc纳米片层均表现出高强度和高应变硬化率，且bcc纳米片对高强度和高硬化的贡献更大，也因此提高了高熵合金的拉伸性能。

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单轴拉伸期间fcc相和bcc相的应变和应力分配。图片来源：Nature

虚拟明场旋进电子衍射（PED）和透射电子显微镜（TEM）图像也证明了这一点。随着拉伸应变增加，bcc纳米层提供了更稳定的应变硬化。开始，在fcc和bcc界面处观察到了很多的边缘位错，而纳米片层中的位错密度似乎没有显著增加。随着进一步应变，在纳米片层内开始观察到更多边缘位错，尤其是在bcc相。这一趋势表明，相界面的位错存储能力开始饱和，促进了片层内的位错累积。

与传统冶金技术相比，基于激光粉床熔合的3D打印技术让材料迅速地熔化和凝固，“使产品获得不同的微观结构，看起来像一张网，层层交替”，Wen Chen教授说，“与传统金属铸造相比，我们的材料强度几乎提高了三倍，不仅没有失去延展性，甚至还提高了延展性。我们的发现对于材料科学和工程来说是令人兴奋的”。Ting Zhu教授也说道，“bcc纳米片层显示出令人惊讶的高强度和高应变硬化，对这种机制的理解，为具有卓越机械性能的3D打印高熵合金的未来发展提供了重要基础”。[6-7]