金屬學報：基于高通量制備的增材制造材料成分設計

來源： 多尺度力學

增材制造是一種革命性的新型制造技術(shù)，已經(jīng)在航空航天、交通運輸和生物醫(yī)學等領(lǐng)域引起了深遠的變革。然而，目前在使用金屬材料進行增材制造時，仍然依賴于傳統(tǒng)合金，其中部分材料并不適用于高能束加工，導致性能仍有提升的空間。當前針對增材制造的專用材料開發(fā)仍然依賴于傳統(tǒng)的試錯方法，導致效率低下，這成為限制增材制造材料性能提高的關(guān)鍵瓶頸。高通量技術(shù)用最少的實驗次數(shù)獲得最多的材料數(shù)據(jù)，極大地加快了新材料的研發(fā)速度，并形成了一套完備的新材料開發(fā)方法。高通量材料開發(fā)流程與傳統(tǒng)試錯流程對比如圖1所示。來自北京科技大學的張百成等人對增材制造的鋼、鈦合金和鋁合金材料進行了綜述，包括現(xiàn)狀和問題。列舉了高通量制備和表征技術(shù)在材料開發(fā)和設計中的應用，結(jié)合高通量制備的原理和特點。最后探討了在材料開發(fā)中的機遇和挑戰(zhàn)，展望了增材制造關(guān)鍵材料開發(fā)與成分優(yōu)化的未來發(fā)展方向。

圖1 高通量材料開發(fā)流程與傳統(tǒng)試錯材料開發(fā)流程對比

圖2通過材料成分角度簡要總結(jié)了鋁合金、鈦合金和鋼的組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，引出增材制造合金材料在微觀、介觀、宏觀層面面臨的幾個關(guān)鍵問題，并論述了高通量增材制造材料設計方法在解決這些問題方面的獨特優(yōu)勢。通過高通量增材制造制備和表征梯度試樣，開發(fā)和優(yōu)化增材制造新合金材料，解決不同尺度下增材制造材料面臨的科學難題，有望推動航空航天關(guān)鍵部件性能進一步提升。

圖2 高通量增材制造提升航空航天關(guān)鍵材料性能

圖3 鋁合金凝固曲線及晶粒長大示意圖，改性前后增材制造鋁合金晶粒結(jié)構(gòu)形貌及高通量優(yōu)化鋁合金成分范圍

      鋁合金通常采用鍛造等傳統(tǒng)方式成形，具有優(yōu)異的力學性能，其合金體系龐大，元素種類繁多，第二相復雜，但由于 Al 對氧敏感，能量吸收率低，高凝固收縮和導熱的特性，通過高能束增材制造方式成形困難。文章中指出，近年以來的研究表明添加形核劑是一種有效的提高鋁合金打印性和力學性能的成分改性方法。 3(a)和(b)展示出高能束增材制造變形鋁合金過程中，由于溫度梯度的存在，材料內(nèi)部形成了發(fā)達的平行于構(gòu)建方向的柱狀晶。而圖3(c)則表明Zr的加入在熔池反應形成Al3Zr，與基體Al相晶格失配度小于0.52%，高冷速下在凝固前沿形成大量低能壘異質(zhì)形核位點，誘導產(chǎn)生精細無裂紋的異質(zhì)等軸晶結(jié)構(gòu)。圖3(d)顯示Nb含量為1.3%~2.4% (原子分數(shù))時，材料發(fā)生柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變且晶粒顯著細化。

圖4 增材制造α、α+β、β鈦合金微觀結(jié)構(gòu)及增材制造鈦合金水平、構(gòu)建方向力學性能范圍

圖5 梯度材料制備原理示意圖、梯度試樣比較以及常見的高通量表征方法

圖4進一步展示了不同元素加入形成的鈦合金微觀結(jié)構(gòu)。Al、Si元素的加入有利于α相的穩(wěn)定，形成具有hcp結(jié)構(gòu)的針狀α/α'鈦合金如圖4(a)所示；圖4(b)展示V、Cr、Mo、Nb這些元素的加入有利于降低α→β轉(zhuǎn)變溫度，增大α+β相區(qū)，通過增材制造可得到精細的α+ β雙相結(jié)構(gòu)；圖4(c)續(xù)增加β穩(wěn)定元素使得β相能夠在室溫穩(wěn)定保留，通過增材制造最終形成蜂窩狀β結(jié)構(gòu)鈦合金。更多關(guān)于鈦合金等軸晶結(jié)構(gòu)控制和鋼材的異質(zhì)結(jié)構(gòu)設計的內(nèi)容可閱讀原文。

圖5展示了梯度材料制備原理示意圖、梯度試樣比較以及常見的高通量表征方法，圖5(a)~(c)增材制造技術(shù)中用于制備成分梯度材料的DED和SLM技術(shù)工藝原理。圖5(d)~(f)比較了不同制備方法的梯度試樣。高通量表征技術(shù)包括高通量X射線衍射(XRD)、高通量硬度測試、高通量掃描電鏡(SEM)和背散射衍射(EBSD)等等，可以迅速獲取大量成分特征離散變化試樣或梯度連續(xù)變化試樣的材料及性能信息(圖5(g)和(h)所示)。

相關(guān)研究成果以“基于高通量制備的增材制造材料成分設計”為題發(fā)表在金屬學報(2023,59(1):75-86)上，論文第一作者和通訊作者為張百成。

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