德國伍珀塔爾大學(xué)頂刊綜述《PMS》：增材制造氧化物彌散合金制造

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：氧化物彌散強化(ODS)合金的特點是納米級氧化物顆粒均勻地分散在金屬基體中。它們的發(fā)展是由技術(shù)應(yīng)用驅(qū)動的，例如燃氣輪機，這些渦輪機需要在高溫下增加材料強度和蠕變特性，以及根據(jù)現(xiàn)代核反應(yīng)堆所需提高對高能中子大氣的抵抗能力。增材制造(AM)提供了可持續(xù)縮短氧化物彌散強化ODS材料傳統(tǒng)燒結(jié)工藝鏈的可能性，此外還能夠直接生產(chǎn)復(fù)雜部件。本文主要通過對ODS合金增材制造的獨特性研究和影響因素的推斷，對ODS合金增材制造的現(xiàn)狀進行了綜述。強調(diào)了生產(chǎn)中的挑戰(zhàn)，如生產(chǎn)合適的粉末材料和鞏固技術(shù)，包括原位制造技術(shù)。本綜述的主要重點是工藝對最終ODS材料及其微觀結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能的影響。介紹和討論了不同類別的ODS合金及其使用領(lǐng)域。目前人們重視到了ODS合金的缺陷，研究如何使這類材料廣泛應(yīng)用能夠重點發(fā)展。

2021年，歐盟委員會公布了“綠色協(xié)議”計劃，旨在大幅減少排放，到2050年達到完全碳中和。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，內(nèi)燃機發(fā)電效率和渦輪機械應(yīng)用效率必須提高（通過提高內(nèi)燃機的工作溫度或使用替代燃料，如氫來提高）。與天然氣相比，氫氣燃燒的火焰速度和溫度更高，導(dǎo)致燃燒室的最高溫度和壓力更高，因此需要為這些部件提供耐蠕變的高溫材料。氧化物彌散強化(ODS)合金是這一特殊應(yīng)用的潛在候選者。它們在金屬基體合金中均勻分散的氧化物納米顆粒，通常通過霍爾-佩奇或Orowan等機制阻礙位錯運動來提高大溫度范圍內(nèi)的機械性能。此外，ODS合金可以承受核電站的極端條件，因此被認為是核聚變領(lǐng)域安全可持續(xù)使用的高性能材料。由于最近的進展，它可能在未來取代核裂變發(fā)電廠。

然而，傳統(tǒng)的粉末冶金氧化彌散強化零件的制造路線涉及多個工藝步驟，包括通過機械合金化工藝制造復(fù)合粉末，通過不同的燒結(jié)技術(shù)固結(jié)，后續(xù)熱處理程序和最終的減法成型�；�于粉末的增材制造(AM)是ODS材料的一種很有前途的生產(chǎn)路線，因為它可以從定制的粉末材料中直接獲得近網(wǎng)狀的固結(jié)，從而顯著縮短制造工藝。盡管AM是一種由各種合金制造金屬部件的成熟技術(shù)，但常規(guī)使用的合金最初是為傳統(tǒng)制造工藝(例如鑄造)開發(fā)的。它們沒有針對增材制造工藝中的特征工藝環(huán)境進行優(yōu)化，因此不能充分利用這種制造技術(shù)的潛力。一般來說，用于增材制造工藝的適應(yīng)合金的開發(fā)是復(fù)雜的，需要仔細選擇工藝參數(shù)，工藝觀察，精確模擬復(fù)雜的溫度分布和凝固條件，以及熔池的流動條件。在這些模型的基礎(chǔ)上，可以發(fā)展出性能優(yōu)于常規(guī)增材制造合金的適應(yīng)性合金概念。

AM技術(shù)正在越來越多的行業(yè)中應(yīng)用，特別是在航空航天、汽車、能源和生物醫(yī)學(xué)分支，并應(yīng)用于生產(chǎn)越來越多的高度復(fù)雜和定制產(chǎn)品。AM在工業(yè)應(yīng)用中的應(yīng)用越來越多，這一特定研究領(lǐng)域的研究活動也越來越密集，這反映在科學(xué)出版物的不斷增長上。特別是，大多數(shù)出版物都是在材料科學(xué)的研究領(lǐng)域，這表明了對為增材制造量身定制的新材料概念的需求。德國伍珀塔爾大學(xué)的BilalGökce教授團隊由此得出結(jié)論，不僅AM可以用于改善現(xiàn)有ODS材料的加工，相反，ODS也可以幫助開發(fā)增材制造的潛力。相關(guān)研究成果以題“Additive manufacturing of oxide-dispersion strengthened alloys: Materials, synthesis and manufacturing”發(fā)表在Progress in Materials Science上。

a)氧化物彌散強化合金中Orowan機制的示意圖，在與位錯線相互作用期間(綠框)和之后(紅框)顯示分散的納米顆粒。b) Fe-18Cr-2W-0.5Ti-0.3Y2O3 wt.%的ODS鋼中納米顆粒與納米氧化顆粒相互作用的TEM圖像。c) 14YWT ODS鋼中納米顆粒附著位錯的高倍BFSTEM圖像。

a)雙離子輻照(60 dpa) RAF鋼的TEM圖像，顯示輻照產(chǎn)生的氦氣形成的空腔(用紅色箭頭表示)。b)在750°C退火100 h后，He注入14YWT ODS鋼的APT測量的體積重建。

a)熱擠壓14YT (Fe-14Cr-0.2Ti-0.3Y2O3, wt.%)合金在未輻照和輻照狀態(tài)下的原子探針斷層掃描(APT)體積重建。b)未輻照和輻照狀態(tài)下納米顆粒數(shù)量密度隨粒子半徑變化的對應(yīng)直方圖圖。使用5 MeV Fe離子在700°C下進行照射，劑量為50 dpa。

圖4不同的釔基納米級氧化物顆粒與周圍bcc結(jié)構(gòu)的Fe-Cr鋼基體相一致的HRTEM圖像，由機械合金和隨后的熱擠壓材料制成。

圖5常規(guī)制造路線與ODS合金的增材制造路線的比較。

傳統(tǒng)的制造路線包括機械合金化(MA)的復(fù)合粉末制造工藝，然后是罐裝和隨后的熱等靜壓(HIP)和熱擠壓(HE)的粉末冶金固結(jié)工藝。固結(jié)后需進行爐基熱處理和零件減形處理。增材制造路線也使用復(fù)合粉末原料，即機械合金工藝。增材制造工藝通常結(jié)合固化和成型，然后進行后續(xù)熱處理。

復(fù)合粉末制造技術(shù)的分類包括以機械合金化(MA)工藝為代表的一種固體基復(fù)合粉末制造工藝，以靜電沉積(ED)工藝為代表的一種液基復(fù)合粉末制造工藝，以及以PCVD (PVD)工藝為代表的一種氣基復(fù)合粉末制造工藝。

a,b)不同放大倍率下Fe-14Cr不銹鋼惰性氣體霧化后球形形態(tài)的SEM圖像。c,d)添加0.3 wt% Y2O3和0.3 wt% TiH2的Fe-14Cr不銹鋼粉末在氫氣環(huán)境中MA作用176 h后的SEM圖像顯示粉末顆粒呈非球面。

在AM凝固過程中，納米顆粒與枝晶相互作用的說明說明顯示了在枝晶結(jié)構(gòu)內(nèi)被吞沒的納米顆粒和在枝晶臂之間被包裹的納米顆粒(綠色球體)。右框:納米顆粒團塊(藍色球體)被推到枝晶尖端的前面。左框:枝晶內(nèi)納米顆粒(紅色球體)被吞噬的枝晶橫截面。

綜上所述，增材制造工藝為ODS合金的傳統(tǒng)制造鏈提供了一種有前途的替代方案。由于工藝鏈較短，即在一個工藝步驟中結(jié)合合成和成型，AM經(jīng)濟生產(chǎn)ODS合金成為可行的�，F(xiàn)今增材制造的ODS合金與傳統(tǒng)生產(chǎn)的ODS合金相比，力學(xué)性能較差。因此，粉末復(fù)合材料制造技術(shù)和增材制造工藝設(shè)計必須調(diào)整為均勻分散的極細納米顆粒�；�于脈沖或短期能量引入、波束成形和高級掃描策略的多種方法，促進AM過程中熔化階段形成的團聚體的破壞。其他的方法不涉及調(diào)整AM工藝本身，可能在于調(diào)整基體合金的化學(xué)成分。即通過添加特定的元素，如鋯和鉿，導(dǎo)致化學(xué)上復(fù)雜的納米級氧化物化合物的形成，這些化合物在金屬中的溶解度極低，因此促進了更小的納米顆粒的形成。采用激光破碎等方法可以有效地減小引入的納米顆粒的初始尺寸分布。

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