KIMS研究人員開發(fā)出超強金屬3D打印合金，為太空應(yīng)用帶來新的可能性

2024年10月30日，南極熊獲悉，韓國材料科學(xué)研究所 (KIMS) 納米材料研究部的 Jeong Min Park 博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊與慶尚國立大學(xué)的 Jung GiKim 教授和浦項科技大學(xué) (POSTECH)的 HyoungSeop Kim 教授合作，成功開發(fā)出一種適用于太空環(huán)境的新型高性能金屬 3D 打印合金。新開發(fā)的合金在低至 -196°C 的極低溫下表現(xiàn)出卓越的機械性能，證明了在太空探索和極端環(huán)境應(yīng)用方面的潛力。

研究成果以題為“Cryogenic tensile behavior ofcarbon-doped CoCrFeMnNi high-entropy alloys additively manufactured by laserpowder bed fusion”的論文發(fā)表在“增材制造（影響因子：11）”雜志上。研究團隊計劃繼續(xù)進一步研究，以提高技術(shù)應(yīng)用的商業(yè)化潛力，并開展更多研究以驗證在極端環(huán)境中的性能。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104223

(a) C-HEA 預(yù)合金粉末的 SEM 顯微照片和粒度分布直方圖。 (b) 本研究中 LPBF 工藝的激光掃描策略示意圖。

(a) 基板上打印樣品的光學(xué)照片，以及 (b) 從矩形樣品中提取拉伸試樣的示意圖。

研究團隊在 CoCrFeMnNi 合金中添加了少量碳，這種合金在低溫條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。然后使用激光粉末床熔合 (LPBF) 加工這種合金粉末，LPBF技術(shù)允許通過在納米級細胞結(jié)構(gòu)邊界處細分布的納米碳化物最大限度地發(fā)揮碳對合金的強化作用。結(jié)果，研究團隊實現(xiàn)了抗拉強度（抵抗力的能力）和延展性（在失效前承受變形的能力）的組合，在低溫環(huán)境下比無碳合金高出 140% 以上。特別是，與 298 K 相比，合金在 77 K 時的伸長率達到了兩倍。這項技術(shù)還為增材制造中的合金設(shè)計提供了潛在的指導(dǎo)方針，以生產(chǎn)用于低溫應(yīng)用的具有出色承載能力的高性能產(chǎn)品。該技術(shù)的另一個主要特點是它能夠通過增材制造精細控制微觀結(jié)構(gòu)。

圖 1.( a) 偽三維 EBSD-IPF 圖、(b) ECCI 和 (c) 從打印樣品的 YZ 平面獲得的TEM-BF 顯微照片。

圖 2.打印樣品的 STEM-BF 顯微照片和替代元素的 EELS 映射結(jié)果。

圖3.（a）TEM-BF 和（b）樣品中凝固單元周圍的HAADF 顯微照片。（c）TEM-BF、（d）SADP和（e）C-HEA 中納米級沉淀物的EELS 映射結(jié)果。

圖 4.( a) 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(b) 加工硬化率，以及 C-HEA 在 298 和 77 K 時真實應(yīng)力與真實塑性應(yīng)變的關(guān)系。

圖 5.在(a, b) 298 K 和 (cf) 77 K 下預(yù)應(yīng)變的拉伸樣品中獲得的整體應(yīng)變?yōu)?(a, c) 6.3%、(b, d) 12.5%、(e) 18.7% 和 (f) 24.4% 的 EBSD IQ 圖。請注意，EBSD圖中大角度晶界(HAGB) 和孿晶邊界 (TB) 分別用黑線和紅線標記。EBSD 圖中雙頭藍色箭頭表示樣品的拉伸方向。

圖 6.在(a, b) 298 K 和 (cf) 77 K 下預(yù)應(yīng)變的拉伸樣品中獲得的 (a, c) 6.3%、(b, d) 12.5%、(e) 18.7% 和 (f) 24.4% 全局應(yīng)變的 EBSD KAM 圖。請注意， EBSD 圖中分別用黑線和紅線標記HAGB和 TB。EBSD 圖中雙頭藍色箭頭表示樣品的拉伸方向。

圖 7.從EBSD 圖中獲得的孿生面積分數(shù)（a）和KAM （b）的平均值與整體應(yīng)變的關(guān)系。

圖 8.( a) C-HEA 在 298 和 77 K 下的 LUR 應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 從(a) 中每個應(yīng)變水平的 LUR 曲線的滯后回線獲得的有效應(yīng)力和背應(yīng)力隨真實塑性應(yīng)變的變化。

圖 9.經(jīng) (a, b) 298 K 和 (c, d) 77 K 拉伸變形后，預(yù)應(yīng)變 (a, c) 6.3% 和 (b, d) 12.5% 的樣品的變形微觀結(jié)構(gòu)的 ECCI 顯微照片。在 ECCI 圖像中，納米級沉淀物用綠色箭頭表示，變形孿生用黃色箭頭標記。

圖10. ( a)從 XY 平面獲得的 C-HEA 樣品的XRD圖案。(b) 衍射峰的 FWHM 測量示意圖，其中 i max表示XRD峰的最大強度。

圖 11. LPBFed C-HEA 在 298 和 77 K 下的 UTS 與 T. El 的關(guān)系，與之前報道的 LPBFed CoCrFeMnNi HEA 的關(guān)系比較。請注意，實心符號和空心符號分別代表 298 K 和 77 K 下的特性。

這種金屬3D打印合金可應(yīng)用于太空探索火箭中噴射燃料的噴射器、提取能量的渦輪噴嘴等復(fù)雜部件。它提高了在太空和其他極端環(huán)境中使用的部件的性能并延長了使用壽命。此外，它還克服了現(xiàn)有3D打印合金在低溫韌性方面的限制。

高級研究員兼項目負責(zé)人 Jeong Min Park 博士說：“這項研究為開發(fā)用于極端環(huán)境的新型合金帶來了重大突破，提供了新的可能性。通過超越傳統(tǒng)太空探索部件制造極限的 3D 打印技術(shù)，我們可以顯著提高航天運載火箭所用部件的性能。”

這項研究由KIMS基礎(chǔ)項目（“開發(fā)具有復(fù)雜設(shè)計的超硬異質(zhì)材料的增材制造設(shè)計開發(fā)”和“開發(fā)用于金屬3D打印的高性能材料和工藝”）資助。