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3D打印技术参考注意到，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员，发明了一种优化的扫描策略，能够在3D打印过程利用激光搅拌金属，从而提升高熵合金的元素混合水平。
其验证结果证实了这种方法的有效性，为3D打印新型合金、成分梯度材料，或者多材料金属3D打印，提供了重要思路。
传统制造难点：元素充分混合困难
传统合金大多由一种基体金属加上少量其他元素构成。例如，钢合金几乎完全由铁组成，只含有少量碳，添加镍或铬等其他元素可以提高钢的强度或耐腐蚀性。
高熵合金打破了这种模式，它们包含更多种类的金属，且各金属的比例更加均衡。例如，一种高熵合金可能由五种不同的金属各占20%组成。
在原子层面上，高熵合金具有独特的原子排列方式，这可以提升其高温性能，非常适合那些需要在高温下保持强度的应用，例如喷气发动机或核反应堆。
但同时，高熵合金的制造难度也更大。不同的金属具有不同的密度、熔点、表面张力和其他特性，这些特性会导致熔融金属冷却时发生分离，合金的成分自然而然地会分离成一个个不同的区域，从而削弱金属的整体强度。
优化扫描策略，实现“激光搅拌”
NIST的研究人员认为，通过优化的金属3D打印熔融过程，可以让铬元素之间快速混合，从而实现高质量制造。
常规的LPBF工艺过程中，当激光束扫过时，金属粉末会在极短的时间内熔化成一个微小的液滴。在这个液滴中，不同的金属元素会因为高温而发生轻微混合，但这种混合程度不足以形成像高熵合金这样复杂的合金。
因此，NIST的研究团队并没有让激光画直线，而是引导激光在移动过程中画环形轨迹，从而在金属熔化时将其搅拌在一起。
研究人员表示，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，所以他们不得不从头开始编写软件。
笔者查询到，他们开发了一套点对点控制平台，能够在10微妙级别的极端时间内适时调整激光功率、扫描速度和位置，实现了传统G-code无法实现的复杂扫描路径。
具体的扫描方式是这样的，激光光斑一遍延主扫描方向前进，一遍在另一个方向上画椭圆。
这种策略的关键创新在于，通过调节椭圆形轨迹的长短轴和扫描间距，能够改变热流方向，诱导多轴马兰戈尼对流，从而增强熔池内的混合。相比传统扫描方式，新开发的方法能够延长熔池的熔凝时间，有利于高熔点材料的熔化和扩散。
成功打印高质量“三明治”结构
为了验证方法是否有效，研究人员进行了一项极具挑战性的测试：制作了由Ti6Al4V—RHEA-19高熵合金—Ti6Al4V构成的三明治结构。
该结构的总厚度为2.4mm，上中下三层各0.8mm。
研究指出，这两种材料极难混合，它们的熔点、密度、粘度、溶解度和扩散率均存在显著不匹配。
这里有一个问题在开始时困扰了笔者，既然是让高熵合金的元素混合更加均匀，为什么要用两种不同的粉末混合打印？
进一步的查阅发现，研究人员的主要研究区域为这两种材料的熔合区。
实验结果证实，熔合区域仅有单一的BCC相，而如果混合失败，在富Ti区就会形成HCP α 相。这也就意味着，NIST开发的这项技术非常成功。
可以预见，这项技术不仅可以用于制造高熵合金，还可以用于高质量的打印成分梯度材料。因为，多材料打印的一大难点就是界面结合强度不够，而这项技术显然对解决该问题具有重要帮助。
注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。
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