激光粉末床熔融打印的CrMnFeCoNi高熵合金用于声学隔离

由“响亮”金属打造的更安静机器

金属通常擅长传导声音和振动，这对希望同时依赖高强度金属部件的安静汽车、飞机、生产线或医学扫描设备来说并非好消息。这项研究展示了一种将问题反转的方法：通过在金属内部直接制造微小的、随机的缺陷，并结合3D打印，研究者们创造出紧凑的块体，在阻挡超声波方面非常有效，同时仍保持与高等级钢相当的韧性。

将超合金变成声学屏障

团队使用的是一种所谓的高熵合金，由铬、锰、铁、钴和镍大致等量组成，并加入少量硅。研究并非从一个完美致密的块体开始，而是采用激光粉末床熔融（LPBF）这种金属3D打印方法：当打印参数偏离“理想值”时，该方法自然会在内部留下小的空洞。研究者没有把这些空洞当作不良缺陷处理，而是有意将其利用起来。打印的样品约有方糖大小，内部空隙体积分数超过25%，但仍作为可手持、可机械加工并可像普通金属件一样进行测试的完整结构件。

随机空洞如何困住声波

为了弄清这些隐蔽空洞如何阻止声波，作者模拟了超声波通过四种不同板材设计的传播：完全实心金属、带有塑料阻尼层的实心金属、带有规则孔格（声子晶体）的板，以及含有随机尺寸和位置空洞以模拟打印合金的板。在规则结构中，声波要么通过，要么仅在窄频带被阻挡。然而在随机空洞样品中，波在实心金属与空腔之间的诸多不匹配区反复反射和散射。这样的随机来回散射使得波的不同部分相互干涉，从而使整体信号在仅仅几毫米内几乎呈指数衰减——这是所谓安德森局域化现象的典型特征。

将模拟与真实金属块匹配

研究者不仅依赖计算模型：他们还精心打印并测量了“声学致密”（高密度打印）和“有缺陷”（富含空洞）两种合金样品。显微镜和元素扫描显示，除空洞外，合金的晶粒和成分相对均匀，因此主要的无序来源就是空洞网络本身。水中超声测试表明，一块厚约10毫米的有缺陷样品相比几乎无损耗的水，可以减少约65分贝的透射声强——振幅减少超过一千倍。重要的是，这种强烈的衰减在大约8–10 MHz的宽频段内都成立，而非仅在单一调谐频率，从而使该材料适用于实际的宽带超声隔离。

既安静又坚固的金属

人们可能会认为在金属中填入如此多的空洞会使其变脆变弱。令人惊讶的是，力学测试表明这些高熵合金样品仍保持令人印象深刻的强度和硬度。即使空隙率约为28%，其显微硬度仍比常见的316不锈钢高约10%，屈服强度和极限强度也超过典型的结构钢。换言之，该合金既能作为承载构件，又能充当内置的声屏障，免去了粘贴额外橡胶层、泡沫或复杂打孔图案的需要，而这些传统做法常常影响可靠性或引发腐蚀问题。

对未来静音技术的意义

这项工作展示了一种工程化安静金属的新途径：制造商无需添加柔软涂层或打出规则孔阵列，而可利用金属3D打印在适当尺度上塑造内部随机结构以困住声波。由于该效应主要依赖于空洞构架和合金本身较高的声衰减，原则上可扩展到其他合金，并通过改变样品厚度来针对不同超声频率进行调节。其结果是通往紧凑、稳健的结构件的道路，这些部件既能承受机械载荷，又能在工业检测、海用设备以及医学影像与治疗等应用中悄然阻挡或塑造超声波。

引用: Jin, Y., Kumar, J., Palaniappan, S. et al. Laser-powder bed fusion printed CrMnFeCoNi high entropy alloys engineered for acoustic insulation. Commun Eng 5, 85 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00624-5

关键词: 声学隔离, 高熵合金, 3D打印金属, 超声波控制, 波局域化