Hochentropielegierungen sind für ihre nahezu äquiatomare Mischung mehrerer Metallelemente bekannt. Sie können gleichzeitig gute Leistungen in Bezug auf Festigkeit, Zähigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit erbringen. Sie gelten als die nächste Generation wichtiger Strukturmaterialien für die Bereiche Luft- und Raumfahrt und Energie. Allerdings gab es bei ihrer Herstellung immer Probleme wie ungleichmäßiges Mischen und „Marmorierung“ der Struktur.Ein Forschungsteam des National Institute of Standards and Technology (NIST) hat kürzlich eine neue Methode zur Laserpfadsteuerung für den Metall-3D-Druck vorgeschlagen. Durch „mikroskopisches Rühren“ des Schmelzbades während des Druckvorgangs konnte die Mischeffizienz hochentropischer Legierungen auf atomarer Ebene erfolgreich verbessert und gleichzeitig Teile mit komplexen Strukturen direkt gedruckt werden.

Herkömmliche Legierungen verwenden oft ein einzelnes Metall als Matrix, ergänzt durch eine kleine Menge anderer Elemente, um die Leistung zu verbessern. Beispielsweise kann durch die Zugabe einer kleinen Menge Kohlenstoff zu Eisen Stahl mit deutlich verbesserter Festigkeit erzeugt werden, und durch Zugabe von Nickel und Chrom kann rostfreier Stahl mit guter Korrosionsbeständigkeit entstehen. Da die Nachfrage nach technischen Anwendungen weiter zunimmt, insbesondere in Turbinen, Gasturbinen, Raumfahrzeugen und anderen Szenarien, in denen die umfassenden Anforderungen an Festigkeit, Haltbarkeit und Hochtemperaturbeständigkeit immer strenger werden, erfreuen sich hochentropische Legierungssysteme, die auf fünf oder mehr Metallen mit ungefähr ähnlichen Anteilen basieren, zunehmender Aufmerksamkeit. Allerdings weisen verschiedene Metalle große Unterschiede in der Dichte, dem Schmelzpunkt und dem Erstarrungsverhalten auf. Selbst wenn sie bei hohen Temperaturen vorübergehend verschmelzen können, können sie sich während des Abkühlvorgangs leicht trennen, wodurch Zonen mit deutlich unterschiedlichen Eigenschaften entstehen und die Gesamtleistung des Materials geschwächt wird. Wie der NIST-Physiker Fan Zhang, der an der Studie beteiligt war, betonte, müssen hochentropische Legierungen, damit sie ihre Vorteile nutzen können, eine ausreichende und gleichmäßige Durchmischung auf atomarer Ebene erreichen, was höhere Anforderungen an den Herstellungsprozess stellt.

Zu den gängigen Methoden zur Herstellung von Legierungen mit hoher Entropie in Laboratorien gehören derzeit Lichtbogenschmelzen, Pulvermetallurgie usw. Sie können Forschungsproben oder einfache Barren erhalten, aber es ist schwierig, Endteile mit komplexen inneren Hohlräumen und einstellbaren lokalen Zusammensetzungen direkt herzustellen. Die laserselektive Fusionstechnologie (Laser Powder Bed Fusion) in der additiven Metallfertigung kann theoretisch eine Vielzahl von Metallpulvern in einem Pulverbett mischen und durch schichtweises Schmelzen und Stapeln Bauteile mit komplexen geometrischen Formen bilden. Daher wird es als potenzieller Weg zur Realisierung komplexer Komponenten aus Hochentropielegierungen angesehen. Bei einem herkömmlichen Verfahren bewegt sich ein Hochleistungslaser entlang einer linearen Scanbahn auf der Oberfläche einer dünnen Pulverschicht, um ein kurzlebiges, winziges Schmelzbad zu bilden, das dann schnell abgekühlt und erstarrt. Dieser Prozess reicht normalerweise für ein einzelnes Metall oder eine einfache Legierung aus, um die Leistung sicherzustellen. Bei Legierungen mit hoher Entropie, die eine vollständige Vermischung mehrerer Elemente erfordern, ist jedoch die Verweilzeit des Schmelzbades zu kurz und die interne Strömung unzureichend, was es schwierig macht, die verschiedenen Metallkomponenten gleichmäßig zu verteilen.

Die vom NIST-Team vorgeschlagene Lösung bezieht sich direkt auf den Strömungs- und Rührprozess innerhalb des Schmelzbades: aktives „Umrühren“ des Metallschmelzbades während des Druckvorgangs, um mehrere Elemente vor der Erstarrung so vollständig wie möglich zu vermischen. Anstatt die Ausrüstung auf Hardwareebene erheblich zu modifizieren, entschieden sie sich dafür, die Laserbewegungsmethode auf Softwareebene neu zu planen und die traditionelle geradlinige Scanbahn in einen „Schleifenpfad“ umzuschreiben, der aus winzigen elliptischen geschlossenen Kurven besteht, sodass der Laser auf extrem kleinem Raum wiederholt Schleifen zeichnen kann. Diese Laserflugbahn entspricht der Umwandlung des Lasers von einer einfachen Wärmequelle in ein mikroskopisch kleines „Rührwerkzeug“, das stärkere Konvektions- und Rühreffekte im Schmelzbad erzeugt und dazu führt, dass verschiedene Metalle in kurzer Zeit vollständiger und gleichmäßiger vermischt werden. Das Forschungsteam entwickelte eine neue Werkzeugwegsoftware, um diese komplexen elliptischen Scanmuster zu erzeugen, da die bestehende kommerzielle 3D-Drucksoftware für Metall noch nicht über ähnliche Funktionen verfügt.

为验证这一思路的有效性，研究人员选择了一个难度极高的材料组合进行试验：将高密度的耐火高熵合金RHEA-19与轻质钛合金并排放置，让激光沿椭圆轨迹跨越两种材料边界扫描。两种合金在密度和热物性上差异鲜明，在常规熔池条件下极易分相，很难形成均匀新合金，因此非常适合作为“严苛考题”。通过这一布置，团队希望观察在激光“搅拌”作用下，熔池能否在边界处将两种材料混合为全新的均匀合金，而不是仅仅形成界面分明的两相结构。

Um zu verstehen, was im Inneren des Schmelzbades passiert, reicht es nicht aus, die erstarrte Probe im Nachhinein zu beobachten, da der Schmelz- und Erstarrungsprozess in einer Zeitskala von weniger als einer Sekunde abläuft und das hochdichte Metall für sichtbares Licht undurchsichtig ist, was es für herkömmliche Bildgebungsmethoden schwierig macht, das Innere „durchzusehen“. Zu diesem Zweck stützten sich die Forscher auf die große Synchrotronstrahlungsanlage Advanced Photon Source (Advanced Photon Source) am Argonne National Laboratory. Dieser kreisförmige Beschleuniger in Stadiongröße kann extrem helle Röntgenstrahlen liefern, die sich zum Durchdringen von Metallproben und zum Erhalten interner Strukturinformationen eignen. Das Team nutzte die Röntgenbeugungstechnologie, um die Streumuster der Röntgenstrahlen im Inneren des Materials während der Schmelz- und Erstarrungsprozesse in Echtzeit aufzuzeichnen. Anschließend analysierten sie die Entwicklungsbahnen der atomaren Anordnung in verschiedenen Stadien und erstellten ein Zeitreihenbild der dynamischen Struktur des geschmolzenen Pools. Gleichzeitig führten sie mithilfe von Elektronenmikroskopen detaillierte Beobachtungen des endgültig erstarrten Materials durch, um zu bestätigen, ob die Legierungsstruktur die erwartete Gleichmäßigkeit und das erwartete Leistungspotenzial erreichte.

Experimentelle Beweise zeigen, dass die Strategie des Laser-„Rührens“ tatsächlich eine ansonsten schwer zu mischende Materialkombination verbessert, wobei Grenzbereiche neue Legierungsstrukturen bilden, die gleichmäßiger gemischt und nicht nur geschichtet oder gestückelt sind. Noch wichtiger ist, dass Untersuchungen zeigen, dass die Gestaltung des Laserpfads nicht nur die Formungsgeometrie beeinflusst, sondern auch als wichtiger Prozessparameter zur Steuerung der Legierungsbildungsmethode und zur Förderung der Vermischung mehrerer Elemente verwendet werden kann. Dies bietet eine neue Steuerungsdimension für die Entwicklung neuer Legierungssysteme mittels additiver Fertigungsmethoden. Insgesamt nutzt die vom Team vorgeschlagene technische Lösung die vorhandene Laser-Pulverbett-Fusionsplattform, um durch softwaredefinierte Flugbahnsteuerung gleichzeitig eine hochentropische Legierungsrohmaterialvorbereitung und eine komplexe Endteilformung im selben Prozess zu erreichen.

Aus einer längerfristigen Perspektive geht die Wirkung dieser Arbeit über das Drucken einer bestimmten „kniffligen“ Hochentropielegierung hinaus. Derzeit basiert der 3D-Metalldruck häufig auf einem einzelnen Pulver, das vorlegiert wird. Die Herstellung verschiedener Legierungen erfordert die Herstellung einer Vielzahl entsprechender Pulver, was hinsichtlich Kosten, Logistik und Prozessanpassung schwierig ist. Die vom NIST vorgeschlagene „Lasermischung“-Idee weist auf eine weitere Möglichkeit hin: Relativ einfache Metallpulver in dieselbe Anlage zu geben und sie bei Bedarf innerhalb der Anlage durch Laserpfad- und Prozessparametersteuerung zu mischen, ähnlich einem Farbdrucker, der ein paar Tinten mischt, um satte Farben zu erzeugen, wodurch die additive Fertigungsplattform zu einer Legierungsfabrik wird, die die „Formulierung“ und Formung vor Ort integriert. Sobald ausgereifte Anwendungen realisiert sind, können Druckgeräte nicht nur die Pulverarten und Lagerhaltungskosten reduzieren, sondern auch ein abgestuftes Design von Komponenten innerhalb eines einzelnen Teils realisieren – zum Beispiel durch die Verwendung hitzebeständigerer Legierungsformeln in Hochtemperaturbereichen von Turbinenschaufeln und die Verwendung von Formeln, die Festigkeit und Dichte in strukturell tragenden oder gewichtsreduzierenden Bereichen ausgleichen, ohne dass verschiedene Materialkomponenten geschweißt oder mechanisch verbunden werden müssen.

Natürlich befindet sich diese Technologie noch im Forschungs- und Verifizierungsstadium und ist keine gebrauchsfertige Industrielösung. Das Verhalten verschiedener Legierungssysteme im Schmelzbad ist sehr unterschiedlich. Mischen ist nur ein Link. Bei technischen Anwendungen müssen außerdem mehrere Variablen wie Rissneigung, Porendefekte, Eigenspannung, Abkühlgeschwindigkeit, Pulverqualität und anschließende Wärmebehandlung gleichzeitig gesteuert werden. Darüber hinaus müssen auch kommerzielle Software-Ökosysteme und Gerätesteuerungssysteme nachgerüstet werden, um solche komplexen Laserwerkzeugpfade und Legierungsmischstrategien regelmäßig in industriellen Szenarien zu unterstützen. Relevante Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Additive Manufacturing“ veröffentlicht und liefern eine neue Prozessrichtung mit empirischer Grundlage für die zukünftige additive Fertigung von Hochentropielegierungen und komplexen Strukturbauteilen.