四所頂尖高校闡述高熵合金3D打印進展

來源： 江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：高熵合金處于金屬材料界的前沿。它們被用作生產(chǎn)高溫渦輪葉片、高溫模具、切削工具上的硬涂層甚至第四代核反應(yīng)堆部件的替代材料。但是，大家對HEA3D打印缺乏全面的了解。為了解決這個問題，來自新加坡科技設(shè)計大學(xué)（SUTD），南洋理工大學(xué)（NTU），華中科技大學(xué)和湖南大學(xué)的研究人員合作，對HEA 3-D打印的最新成果進行了詳盡的綜述。該研究發(fā)表在《Advanced Materials》上。

3D打印，更正式地稱為增材制造（AM），是一項新興技術(shù)，它通過逐層策略為復(fù)雜和/或定制零件的設(shè)計和制造提供了極大的靈活性，從而帶來了革命性的制造。

高熵合金（HEA）作為金屬材料領(lǐng)域中的一種新興前沿技術(shù)，具有高混合組態(tài)熵，這些熵傾向于基于簡單的下表面面心立方（FCC），體心立方（BCC）或基體中心立方來穩(wěn)定固溶體。六角密排（HCP）結(jié)構(gòu)。通常，HEA的定義基于成分或熵。對于基于成分的定義，HEA由五個或更多個主要元素組成，每個元素的濃度在5到35原子百分比（at％）之間。HEAs的組成元素可選自過渡金屬、堿土金屬、堿性金屬、準金屬和非金屬，其中通常使用鈷、鉻、銅、鐵、錳、鎳、鉿、鉭、鈦、鉬、鈮、釩、鋯、鎢、鋅、鋁、硅和硼。通過篩選其組成元素的適當組合并調(diào)節(jié)其比例，HEAs可以在高溫下表現(xiàn)出顯著的機械性能，在低溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的強度、延展性和斷裂韌性，以及超順磁性、超導(dǎo)性和優(yōu)異的耐輻照性。因此，它們被視為高溫渦輪葉片、高溫模具、切削工具上的硬涂層等的替代品。

與傳統(tǒng)的制造工藝相比，DED和PBF對于開發(fā)HEA產(chǎn)品具有更大的希望。DED和PBF中聚焦的高能束將粉末熔化成幾乎密實的產(chǎn)品。同時，DED和PBF的超快冷卻速度有助于防止形成不需要的金屬間化合物和構(gòu)成元素的擴散，并導(dǎo)致HEA產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)細化。然而，快速固化會導(dǎo)致大的溫度梯度，從而在打印產(chǎn)品中產(chǎn)生殘余應(yīng)力和裂紋。因此，對裂紋不敏感且足夠強以抵消殘余應(yīng)力的組成元素可以主要考慮用于HEA粉末的成分設(shè)計，以改善其打印適性。DED和PBF都可以利用通過氣體霧化、水霧化或機械合金化開發(fā)的HEA預(yù)合金粉末來實現(xiàn)印刷產(chǎn)品的均勻性。此外，DED能夠通過原位合金化使用元素粉末印刷HEA產(chǎn)品，從而繞過了開發(fā)HEA粉末的漫長過程。

圖1. 概述了HEAs和3D打印之間的關(guān)系，包括成分設(shè)計，粉末開發(fā)，打印過程，產(chǎn)品特性和潛在應(yīng)用。

近年來，霧化已被確定為開發(fā)用于DED和PBF的預(yù)合金粉末的技術(shù)。它利用來自氣體，水，等離子或旋轉(zhuǎn)力的高壓將一股熔化的熔融金屬分解成液滴，這些液滴隨后凝固形成球形粉末顆粒。據(jù)報道，已經(jīng)使用氣體霧化和水霧化來開發(fā)可打印的HEA粉末。

氣體霧化是目前生產(chǎn)用于3D打印的精細金屬球形粉末中最廣泛接受的方法。實驗裝置的示意圖如下圖(a)所示。

圖2.氣體霧化的典型實驗裝置的圖解及其霧化階段的示意圖。

機械合金化是一種高能球磨工藝，用于開發(fā)用于3D打印的精細金屬粉末。這是產(chǎn)生具有提高的固溶度的均勻的HEA粉末顆粒微觀結(jié)構(gòu)的最有希望的技術(shù)之一。

圖3. 機械合金化的示意圖：a）過程和b）機理。

由于3D打印技術(shù)在打印具有設(shè)計自由度和幾何復(fù)雜性的產(chǎn)品方面的獨特優(yōu)勢，HEAs的3D打印越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。DED和PBF工藝已被廣泛用于印刷HEA產(chǎn)品，如下圖所示。在這些過程中，聚焦的高能束與粉末相互作用，形成熔池，在熔池中發(fā)生快速熔化和固化�？焖俟袒�有利于避免通常在線性缺陷（更準確地說是位錯）或表面缺陷（堆垛層錯，晶界，相界等）處發(fā)生的元素偏析，并防止形成脆性金屬間化合物，從而改善了機械性能 產(chǎn)品的性能。

圖4. HEA產(chǎn)品的主要3D打印過程示意圖：a）DED，b）SLM和c）EBM。

關(guān)于服務(wù)質(zhì)量和耐用性，最終產(chǎn)品的機械性能對于確定是否可以代替常規(guī)制造工藝實施3D打印最為重要。

3D打印HEA產(chǎn)品的顯微硬度。

3D打印HEA產(chǎn)品的拉伸屈服強度與伸長率的對比總結(jié)

HEA的新穎特性，例如極高的比強度，高溫下的優(yōu)異機械性能，極低的延性和在低溫下的斷裂韌性，超順磁性和超導(dǎo)電性，為航空航天，運輸，能源，電子，生物醫(yī)學(xué)，模具的各種應(yīng)用鋪平了道路。HEA可用作儲氫材料，抗輻射材料，電子產(chǎn)品的擴散屏障，精密電阻器，電磁屏蔽材料，熱噴涂，硬質(zhì)，低摩擦和生物醫(yī)學(xué)涂料，粘合劑以及軟磁和熱電材料。

DED還成功地用于印刷使用CoCrFeMnNi HEA粉末的葉片原型（如下圖所示），航空航天工業(yè)中的其他應(yīng)用可以是航空發(fā)動機的氣門機構(gòu)、壓縮機葉片、燃燒室、排氣噴嘴和燃氣輪機，其中打印的HEA產(chǎn)品能夠結(jié)合它們的優(yōu)點，即高強度重量比、良好的抗氧化性、抗疲勞性、抗熱耗性、高溫強度、輕質(zhì)性、耐磨性和抗蠕變性。



本文來源：DOI: 10.1002/adma.201903855