近年來，使用激光束和電子束來“打印”具有常規制造無法實現的復雜形狀的工程物體成為可能。金屬材料的增材制造(AM)工藝或3D打印涉及將細小的粉末顆粒融化并熔合在一起，激光或電子束可以使每個細微的粉末顆粒都比海灘沙粒細10倍左右。

“高度聚焦的光束提供了精確的控制，可以在打印對象的關鍵位置“調整”性能，”加州大學圣塔芭芭拉分校工程學院材料學教授兼副院長Tresa Pollock說。“不幸的是，在能源，太空和核應用中遇到的極端熱密集和化學腐蝕性環境中使用的許多先進金屬合金與AM工藝不兼容。”

對于從事先進金屬材料和涂層研究的世界著名科學家波洛克來說，發現新的AM兼容材料所面臨的挑戰是不可阻擋的。她說：“這很有趣，因為一整套高度相容的合金可以改變金屬外殼的生產，從而改變具有高經濟價值的金屬材料(即昂貴的材料，因為它們的成分在地殼中相對稀少)。幾何復雜的設計，材料浪費最少。

“在極端環境下起作用的大多數超高強度合金，由于會破裂，因此無法印刷，” ALCOA杰出材料教授波洛克繼續說道。當取出材料并進行一些熱處理后，當物體仍在打印時，它們可能會在液態或固態下破裂。這使人們無法使用我們目前在飛機發動機等應用中使用的合金來印刷新的設計，例如，這些設計可能會大大提高性能或能源效率。”

現在，在《自然通訊》雜志的一篇文章中，波洛克與Carpenter Technologies，橡樹嶺國家實驗室，UCSB的科學家Chris Torbet和Gareth Seward以及UCSB的博士合作。Sean Murray，Kira Pusch和Andrew Polonsky的學生描述了一種新型的超級合金，它克服了這一裂紋問題，因此，對于提高AM的使用量以生產復雜的一次性組件以用于高應力，高強度十分重要。

這項研究得到了波洛克于2017年從美國國防部獲得的300萬美元的范內瓦爾·布什教職獎學金(VBFF)的支持。VBFF是國防部最負盛名的單一研究者獎，支持可能具有變革性意義的基礎影響。

在本文中，作者描述了一類新的高強度，耐缺陷，可3D打印的高溫合??金，定義為典型的鎳基合金，可在高達其熔點90%的溫度下保持其材料完整性。大多數合金在其熔化溫度的50%時會破裂。這些新的超級合金包含大約相等份量的鈷(Co)和鎳(Ni)，以及更少量的其他元素。這些材料適合通過電子束熔化(EBM)以及更具挑戰性的激光粉末床方法進行無裂紋3D打印，從而使其對于進入市場的眾多打印機具有廣泛的用途。

由于鎳基高溫合金在高溫下具有出色的機械性能，因此它們是結構部件(例如，飛機發動機熱區中使用的單晶(SX)渦輪葉片和葉片)的首選材料。團隊開發的一種超級合金的變體中，波洛克說：“高百分比的鈷使我們能夠設計合金的液態和固態狀態的特征，使其與各種印刷條件兼容。”

由美國國家科學基金會(NSF)資助的與國家材料基因組計劃(National Genes Genome Initiative)聯合開展的項目已經完成了以前的工作，從而促進了新合金的開發，該項目的基本目標是通過開發先進的材料“以兩倍的速度，支持研究以應對社會面臨的巨大挑戰。一半的成本。”

Pollock在該領域的NSF工作是與UCSB的其他材料教授Carlos G. Levi和Anton Van der Ven合作進行的。他們的工作涉及開發和集成一套計算和高通量合金設計工具，以探索發現新合金所需的大型多組分組成空間。在討論新論文時，波洛克還承認了工學院的協作研究環境的重要作用，使這項工作成為可能。