激光粉末床熔融（LPBF）3D打印金属构件时，孔隙、未熔合等缺陷几乎是不可避免的伴生问题，它们虽不影响短期强度，却会长期侵蚀零件的疲劳与耐蚀性能。南方科技大学机械与能源工程系团队在《自然·通讯》发表最新研究，提出「温度熵工程」策略，将CoCrNi中熵合金与316L不锈钢两种常规粉末混合打印，让构型熵在打印过程中原位升高，单步即获得致密度99.9991%的近无孔中熵合金，缺陷密度低至1.17个每立方毫米，抗疲劳裂纹扩展与耐点蚀性能全面超越传统工艺。
一、孔隙缺陷：3D打印金属件长期服役的软肋
激光粉末床熔融技术能够制造结构复杂、精度出色的金属构件，在航空航天、医疗、能源等领域已进入批量化应用阶段。但与传统铸锻件相比，打印过程中快速熔化与凝固带来的气孔、未熔合、球化等缺陷几乎无法完全避免。这些缺陷对强度、延展性等即时性能影响有限，却是构件长期服役的隐患，在循环载荷或腐蚀环境下容易诱发应力集中与裂纹萌生，逐步拖垮疲劳、蠕变与耐蚀性能。
为消除缺陷，业界此前发展出热等静压、逐层轧制、超声或磁场辅助致密化等手段，但都存在明显局限：热等静压受设备腔体尺寸限制，难以处理大型构件，而且已形成的微孔在后续热处理中可能因内部氩气压而重新长大；辅助外场方案则让打印流程更加复杂，成本显著上升。更重要的是，对于打印过程中不发生相变的中熵合金、高熵合金等新兴材料体系，业界一直缺乏面向长期性能的消缺策略，这成为制约其工程化应用的关键瓶颈。
南方科技大学团队正是瞄准这一痛点展开攻关。研究团队发现，与其在打印完成后费力「补救」，不如从源头上改变熔池的热历史，让缺陷在成形过程中就失去产生条件。这一思路的落地，依靠的是对材料热力学本质的巧妙运用。
二、温度熵工程：让构型熵在打印中原位升高
研究团队起初在实验中发现一个有趣现象：将CoCrNi中熵合金粉末与316L不锈钢粉末混合打印，得到的块体表面异常光滑、组织致密。受此启发，团队提出「温度熵工程」策略，利用LPBF工艺固有的熔化、混合、凝固动态过程，让构型熵在打印过程中原位升高，从而改写熔池热历史，改善液态金属的铺展行为与凝固组织。
所谓构型熵，描述的是合金中原子排列的混乱程度，是高熵合金、中熵合金设计的核心概念。团队将CoCrNi与316L按0%、25%、50%、75%、100%的重量比配成系列混合粉，分别记为316L、25T-MEA、50T-MEA、75T-MEA与CoCrNi。为突出熵与组织的作用，所有样品采用完全相同的激光工艺窗口，扫描速度800毫米每秒、层厚30微米、搭接70微米、层间旋转67度，只让成分变化成为唯一变量。
随后，研究团队展开多尺度表征：宏观层面用micro-CT与阿基米德法测量密度，微观层面用扫描电镜与电子背散射衍射观察组织与位错，纳米尺度用透射电镜分析亚晶与胞状结构，同时测量热扩散率反推热导率变化，构建起从原子排列到宏观性能的完整证据链。
三、75%配比甜蜜点：密度与性能同步达峰
研究最核心的发现是：材料密度并不随CoCrNi比例线性升高，而是先升后降，在75%重量比（75T-MEA）处达到峰值，这一拐点恰好与构型熵曲线的峰值同步。此时合金的构型熵冲至11.53焦耳每摩尔开尔文，逼近理论最大值11.82，密度、致密度与表面粗糙度三项指标同时达到最优。
| 指标 | 316L | 75T-MEA（最优） | CoCrNi |
|---|---|---|---|
| 构型熵（J/mol·K） | 较低 | 11.53（峰值） | 居中 |
| 密度 | 99.74% | 99.9991% | 99.84% |
| 缺陷密度（个/mm³） | 最高 | 1.17（最低） | 较低 |
| 点蚀电位（V） | 0.743 | 0.816 | 0.658 |
机制链条清晰而巧妙：熵升高让原子排列更无序，抑制电子与声子输运，使材料热导率下降约18.4%，熔池冷却变慢、凝固时间延长，液态金属得以更充分地铺展，熔池更宽、表面粗糙度更低，残余应力也更小。同时，更缓的冷却过程促使位错发生回复，形成「亚晶加胞状」的稳定组织，几何必需位错密度降至最低水平。
组织稳定性在变形中同样得到验证：拉伸20%后，316L出现大量穿晶变形孪晶，CoCrNi以层错为主且胞状结构变模糊，而75T-MEA的亚晶与胞状结构依旧完好，既无孪晶也无层错条纹，说明亚晶界有效阻断了位错运动，让组织在外载作用下更加稳定。
四、疲劳与耐蚀全面超越：数据背后的机制
长期性能的实测数据更具说服力。在抗疲劳裂纹扩展方面，75T-MEA的Paris指数为2.95，比传统粉末床熔融中熵合金常见的3.9到4.0低约25%；当裂纹长度达到10毫米时，其J积分比316L与CoCrNi低约一个数量级，意味着裂纹更难扩展，疲劳寿命显著延长。与文献中报道的多种增材制造及传统变形合金相比，75T-MEA在低孔隙率下同时拥有更低的Paris指数，综合优势明显。
耐腐蚀性能同样出色。在3.5%氯化钠溶液中，75T-MEA的点蚀电位达到0.816伏，高于316L的0.743伏与CoCrNi的0.658伏，自腐蚀电流相当，说明其钝化膜更能抵抗氯离子击穿，抗点蚀能力更强。微观组织显示，锰、硅、氧富集的细小析出物沿亚晶界均匀分布，这种细密均匀的组织特征正是耐蚀性能提升的结构基础。
从更宏观的视角看，这项研究的价值在于把「混哪两种粉、怎么混」从经验试错变成了可用构型熵定量描述的设计变量。熵随时间升高，可以作为面向致密化的混粉打印基本原则，为增材制造消缺提供了一种不依赖外场、不依赖后处理的新机理，单步打印即可逼近无孔状态。
五、从经验试错到定量设计：产业化前景与局限
这项「温度熵工程」策略的现实意义在于低成本与高兼容性：使用的CoCrNi与316L都是成熟商用牌号，无需开发专用粉末，通过常规粉末混配加工艺耦合即可获得高性能中熵合金，为增材制造材料设计开辟了一条经济可行的新路线。研究团队认为，该思路还有望推广到钛合金、金属基复合材料等易开裂、高残余应力的体系，面向航空航天与汽车等对长期承载要求严苛的应用场景。
值得注意的是，该研究仍处于实验室验证阶段，论文采用的样件尺寸与工艺窗口相对固定，75%重量比这一最优配比是否在其他激光功率、扫描策略下保持稳定，混粉均匀性如何在大规模生产中保证，都还有待工程化验证。此外，中熵合金体系本身的商业化供应链尚不成熟，从实验室样品到批量零件仍有相当距离。
但无论如何，这项研究为增材制造领域长期存在的孔隙缺陷难题提供了一种全新的解决范式：与其在打印后想方设法消除缺陷，不如从热力学源头让缺陷失去生存土壤。当材料的长期性能短板被补齐，3D打印金属构件在高价值领域的应用边界也将随之拓宽。
总结
南方科技大学团队通过温度熵工程，用两种常规粉末的混配打印，单步获得致密度超99.99%的近无孔中熵合金，抗疲劳与耐蚀性能全面超越传统工艺，为增材制造缺陷控制提供了不依赖外场与后处理的新机理。从经验试错走向定量设计，这一策略有望重塑高性能合金的打印路线。
来源：Nature Communications、搜狐科技、生物通