金屬材料高通量制備技術(shù)及應(yīng)用案例

來(lái)源：安世亞太


材料高通量制備技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)制備大量不同成分的新型材料,，可以加速新型材料的研發(fā)與應(yīng)用,，被列為材料基因組技術(shù)的三大技術(shù)要素之一,。其中金屬材料的高通量制備有多種制備方法，但傳統(tǒng)的金屬材料高通量制備方法制備周期長(zhǎng),，制備樣品尺寸較小,，能源消耗較高。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展,，采用增材制造技術(shù)開(kāi)展金屬材料的高通量制備也得到了迅速的發(fā)展,，且增材制造高通量制備相較于傳統(tǒng)高通量制備技術(shù)呈現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)：
1）可以快速成型多種材料試樣；
2）可以制備毫米級(jí)以上的塊狀樣品,；
3）研究過(guò)程中原材料消耗較少,，更經(jīng)濟(jì),。

圖1 金屬材料高通量制備方法總覽

安世亞太科技股份有限公司攜手鋼鐵研究總院，基于激光選區(qū)熔化技術(shù)開(kāi)發(fā)了具有國(guó)際領(lǐng)先水平的DLM-120HT（點(diǎn)擊鏈接詳細(xì)了解設(shè)備詳情）金屬材料高通量增材制備設(shè)備,。

DLM-120HT是基于異質(zhì)粉末3D打印的新金屬材料開(kāi)發(fā)高通量制備平臺(tái),。直接利用元素粉末或合金粉末進(jìn)行激光選區(qū)熔化成型，一次打印過(guò)程可實(shí)現(xiàn)4種粉末,、160種材料成分配比的力學(xué)性能樣件制備,，適用于鋼鐵材料、鋁合金,、鈦合金,、 鎳基高溫合金、高熵合金等金屬新材料的成分篩選,、性能研究以及梯度材料的研究,。

圖2 DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺(tái)技術(shù)路線

在2021第四屆增材制造全球創(chuàng)新應(yīng)用大賽中，DLM-120HT高通量增材制備平臺(tái)獲得了特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng),。

圖3 DLM-120HT金屬材料高通量制備平臺(tái)獲得

第四屆增材制造全球創(chuàng)新應(yīng)用大賽特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)

金屬材料高通量制備的應(yīng)用案例
1.新型金屬材料快速組合制備及開(kāi)發(fā)
傳統(tǒng)的新型金屬材料開(kāi)發(fā)流程包括成分設(shè)計(jì),、合金成分調(diào)配、合金制備（熔煉,、鍛壓,、軋制、熱處理等）及試驗(yàn)表征等環(huán)節(jié),，需要的制備設(shè)備種類(lèi)繁多,，且開(kāi)發(fā)過(guò)程中在制備和表征的環(huán)節(jié)存在著大量的迭代才能開(kāi)發(fā)出一種合適的新型金屬材料，因此新材料開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng),。采用高通量制備流程就可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的成分與性能之間的關(guān)系數(shù)據(jù),，后續(xù)可以根據(jù)使用需求篩選少量合金成分進(jìn)行驗(yàn)證就可以進(jìn)入到工業(yè)應(yīng)用環(huán)節(jié)，大大節(jié)省的新型金屬材料的開(kāi)發(fā)周期,。當(dāng)前該設(shè)備已成功用于3D打印高溫合金,、新概念層狀硬質(zhì)合金、梯度材料,、高熵合金,、新型復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)和研究。

圖4 金屬材料高通量制備 VS 傳統(tǒng)金屬材料研究

2.增材制備材料成分及工藝快速篩選
我們都知道,，當(dāng)前可用于SLM制備的合金種類(lèi)數(shù)量較少,，急需開(kāi)發(fā)大量新型可用于SLM增材制備的合金。但是采用傳統(tǒng)的激光選區(qū)熔化設(shè)備開(kāi)展增材新材料研發(fā)發(fā)存在著較大障礙：
1）每開(kāi)展一次新的成分研究就需要開(kāi)展該合金的粉末制備,，制粉成本較高,；
2）需要不斷的更換粉末開(kāi)展研究，而傳統(tǒng)激光選區(qū)熔化設(shè)備粉末更換較為繁瑣,，且粉路很難清理,。

采用本文所述的高通量制備設(shè)備開(kāi)展研發(fā)可以很好的解決這些困難:
1）通過(guò)少量市場(chǎng)已有的單一粉末或預(yù)混粉末的自動(dòng)混粉實(shí)現(xiàn)所需的成分需求,；
2）模塊化可拆卸的粉路裝置方便換粉及設(shè)備清理；

因此采用DLM-120HT高通量制備設(shè)備可以開(kāi)展：
1）粉末成分研究及快速篩選,；
2）SLM制備工藝研究及快速篩選,；
3）粉末類(lèi)型（不同粒度、球形度,、氧含量等）SLM制備研究及快速篩選,。

圖5 成分及工藝篩選案例展示

3.成分對(duì)微觀組織影響研究
采用DLM-120HT一次性制備210個(gè)不同成分的不銹鋼合金試樣，成功發(fā)現(xiàn)了從等軸晶到柱狀晶轉(zhuǎn)變的成分比例,，為增材制造用不銹鋼合金成分設(shè)計(jì)提供參考依據(jù),，整個(gè)制備周期僅為20小時(shí)，極大縮短了研發(fā)周期和成本,。

圖6 成分對(duì)微觀組織的影響研究