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，來自新加坡科技設計大學（SUTD），南洋理工大學（NTU），華中科技大學和湖南大學的研究人員合作，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，它通過逐層策略為復雜和/或定制零件的設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）作為金屬材料領域中的一種新興前沿技術，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）結構。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成元素的擴散，并導致HEA產(chǎn)品的微觀結構細化。然而，快速固化會導致大的溫度梯度，從而在打印產(chǎn)品中產(chǎn)生殘余應力和裂紋。因此，對裂紋不敏感且足夠強以抵消殘余應力的組成元素可以主要考慮用于HEA粉末的成分設計，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打印之間的關系，包括成分設計，粉末開發(fā)，打印過程，產(chǎn)品特性和潛在應用。

近年來，霧化已被確定為開發(fā)用于DED和PBF的預合金粉末的技術。它利用來自氣體，水，等離子或旋轉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粉末顆粒微觀結構的最有希望的技術之一。

圖3. 機械合金化的示意圖：a）過程和b）機理。

由于3D打印技術在打印具有設計自由度和幾何復雜性的產(chǎn)品方面的獨特優(yōu)勢，HEAs的3D打印越來越受到學術界和工業(yè)界的關注。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。快速固化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。

關于服務質量和耐用性，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

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，超順磁性和超導電性，為航空航天，運輸，能源，電子，生物醫(yī)學，模具的各種應用鋪平了道路。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，低摩擦和生物醫(yī)學涂料，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)中的其他應用可以是航空發(fā)動機的氣門機構、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、輕質性、耐磨性和抗蠕變性。



本文來源：DOI: 10.1002/adma.201903855