(五)当前的挑战和未来的研究方向 l 3D打印HEA高熵合金

谷专栏到目前为止,市场上已经对AM增材制造HEA高熵合金进行了许多研究,此前曾分享《3D打印技术的优缺点 l 3D打印HEA高熵合金:微观结构和性能综述》,《密度、残余应力、晶粒结构 l 微观结构 》,《元素分布、相、后处理》,《硬度、拉伸性能 l 机械性能》,《抗压强度、拉伸性能、疲劳、蠕变》等内容,但是该领域仍然存在一些挑战,例如致密化、裂纹和残余应力、尺寸精度和表面光洁度、化学均匀性、结晶和微观结构控制、性能各向异性等。因此,应开展进一步的工作,通过增材制造技术拓宽对这一新金属材料家族的认识。

本期谷.专栏结合发表在《Materials&Design》上的论文《Additive manufactured high entropy alloys: A review of the microstructure and properties》将介绍一些思路,为AM增材制造HEA高熵合金的改进和创新提供一些可能的研究思路。

《Additive manufactured high entropy alloys: A review of the microstructure and properties》这项工作是在荷兰科学研究组织 (www.nwo.nl) 和材料创新研究所 M2i (www.m2i.nl) 的透视计划框架下的项目编号 P16-46 项目 6 / S17024o 下进行。

article_Alloy原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026412752200497X

Valley_HEA3D打印HEA合金
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block 新的HEA高熵合金

从前面的分析可以看出,目前应用于增材制造领域的HEA高熵合金是有限的,主要是与常规制造技术具有相似成分的粉末材料。因此,设计和开发新的HEA高熵合金非常重要和必要,特别是对于3D打印这种先进的制造技术。

在设计此类合金时需要考虑多种因素,以便获得AM高熵合金加工零件的所需性能,例如激光吸收率、熔化温度、流动性、蒸气压、热稳定性和每种元素的抗裂纹形成能力。

成分梯度和原位合金化的材料研究和开发可能允许使用元素粉末混合物作为生产 HEA高熵合金的原材料,不仅可以节省成本,还可以最大限度地提高调整化学成分的灵活性。

成分分级材料的制造还允许在同一 HEA 高熵合金系统内改变一种或多种元素的含量,以进行有效的测试和筛选。

粉末的初始性能对增材制造过程中的构建部件有重要影响。因此,研究有效的混合粉末以减少团聚和提高均匀性的方法至关重要。

通过扩展热力学数据库和对大块试样进行高通量筛选来开发替代元素和间隙元素也很重要,这可以作为选择一套合适的增强成分和设计适用于复杂服务环境的增材制造产品的指南。

Valley_ODS3D打印中熵合金
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此外,HEA高熵合金的一些子集,如 CoCrNi 和 CoNiV,可归类为中熵合金 (MEA),也表现出优异的性能,是具有高性能和成本节约的合金粉末制造的AM增材制造技术的一个有前途的研究方向。

fraunhofer© Fraunhofer IPT

block 工艺开发和优化

为了获得优化的结构和性能,可以通过以下方式进一步改进HEA高熵合金的AM增材制造工艺。

深入了解合成原理和成型工艺,制造过程中残余应力和变形的控制,加工合金的显微组织和性能的再现性,断裂韧性和疲劳性能的研究,需要减少各向异性,防止制造组件中的冶金缺陷,组件的无损测试以及增材制造的 HEA高熵合金的标准制备协议。

特别是在增材制造零件的无损检测方面,需要探索原位监测系统,在增材制造过程中进行无损评估,以便及早发现缺陷。

此外,与材料相关的参数,例如粉末的颗粒形状和尺寸、相形成、流动性和表面状态,是影响增材制造工艺和所生产零件性能的重要因素,因此,粉末特性的影响仍有待充分发挥。

总体而言,必须将通用计量、过程反馈和控制程序结合起来用于开发HEA高熵合金以符合工业规范。

block 热力学建模

目前大多数关于 HEA高熵合金增材制造的研究本质上是一个反复试验的过程,既费时又费钱。

目前只有少数研究使用了某种热力学计算,例如 CoCrFeMnNi和 AlxCoCrFeNi HEA 系统中的 Thermo-Calc,AlCrMnNbTa HEA中的 CALPHAD 热力学模拟,平衡 CALPHAD 模拟和非CoCrFeMnNi 系统中的平衡 Scheil计算,以及与 CoCrFeNiW 中的热动力学模拟相结合的集成计算材料工程框架,以预测 AM增材制造过程中的微观结构演变。

对于HEA高熵合金的AM增材制造工艺,有关制造零件的粒度和所需相(例如特定 BCC 或 FCC 相)或不希望相(例如 σ 相、碳化物或金属间化合物)的详细相组成的信息,相的动力学转变、熔点、随温度变化的尺寸行为和可能的不良氧化过程都是必要的,在对其进行实验研究之前,必须使用热力学分析技术进行研究和分析。

为相图的热力学建模而彻底编译一个可靠的数据库至关重要,以便准确预测出现的相成分,从而控制微观结构。这将使人类能够处理全面的热力学数据,并在未来扩展和改进数据库,推进增材制造 HEA 材料的设计科学。

此外,考虑到大多数增材制造技术在很短的时间内热源与粉末之间的相互作用体积非常小,结合与材料性能和冶金过程相关的多种参数,使得不同区域的观察和表征根据目前的实验技术,在熔池内非常困难。为了解决这个问题,应该考虑将涉及计算材料工程、机器学习技术和人工智能、计算机视觉和数据挖掘的综合分析和数值模拟方法引入这个3D打印HEA高熵合金有前途的研究领域。

block 其他用于 HEA 的创新增材制造技术

除了上面提到的增材制造技术,挤出增材制造(一种非光束方法)最近也被应用于通过氧化物纳米粉末的混合物制造 CoCrFeNi HEA高熵合金的微晶格结构,并且生产的样品在环境温度和低温下均表现出优异的机械性能。

通过结合热烧结,科学家还应用这种墨水挤出方法制造了3D架构的 CoCrFeMnNIi HEA高熵合金,它表现出出色的能量吸收能力。

此外,粘结剂喷射3D打印技术结合烧结后处理工艺也被用于成功合成 CoCrFeMnNi和 AlCoCrFeNi HEA,后者的孔隙率仅为约 1%。退火实验表明,较高的退火温度使屈服强度和断裂强度分别从 1203 MPa 和 1996 MPa 增加到 1461 MPa 和 2272 MPa,这归因于 BCC/B2 相之间的更精细的微观结构和更高的弹性相容性。

此外,粉末等离子弧 AM增材制造技术和粉末床电弧 AM增材制造技术,另外两种有前途的基于电弧的 AM增材制造方法最近也被应用于构建 HEA高熵合金。

上述这些研究表明,新的增材制造方法可用于未来制造HEA高熵合金以探索潜在的优越微观结构和性能,这将进一步释放增材制造技术本身在各行业实现大规模生产的潜力。

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