金屬學(xué)報(bào)：基于高通量制備的增材制造材料成分設(shè)計(jì)

來(lái)源： 多尺度力學(xué)

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(yùn)輸和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域引起了深遠(yuǎn)的變革,。然而,，目前在使用金屬材料進(jìn)行增材制造時(shí),，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(dǎo)致性能仍有提升的空間,。當(dāng)前針對(duì)增材制造的專用材料開(kāi)發(fā)仍然依賴于傳統(tǒng)的試錯(cuò)方法,，導(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)方法,。高通量材料開(kāi)發(fā)流程與傳統(tǒng)試錯(cuò)流程對(duì)比如圖1所示,。來(lái)自北京科技大學(xué)的張百成等人對(duì)增材制造的鋼,、鈦合金和鋁合金材料進(jìn)行了綜述，包括現(xiàn)狀和問(wèn)題,。列舉了高通量制備和表征技術(shù)在材料開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,，結(jié)合高通量制備的原理和特點(diǎn)。最后探討了在材料開(kāi)發(fā)中的機(jī)遇和挑戰(zhàn),，展望了增材制造關(guān)鍵材料開(kāi)發(fā)與成分優(yōu)化的未來(lái)發(fā)展方向,。

圖1 高通量材料開(kāi)發(fā)流程與傳統(tǒng)試錯(cuò)材料開(kāi)發(fā)流程對(duì)比

圖2通過(guò)材料成分角度簡(jiǎn)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,，并論述了高通量增材制造材料設(shè)計(jì)方法在解決這些問(wèn)題方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),。通過(guò)高通量增材制造制備和表征梯度試樣，開(kāi)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(xué)難題,，有望推動(dòng)航空航天關(guān)鍵部件性能進(jìn)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(zhǎng)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?jī)?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(xué)性能，其合金體系龐大,，元素種類繁多,，第二相復(fù)雜，但由于 Al 對(duì)氧敏感,，能量吸收率低,，高凝固收縮和導(dǎo)熱的特性，通過(guò)高能束增材制造方式成形困難,。文章中指出,，近年以來(lái)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(xué)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(guò)程中,，由于溫度梯度的存在,，材料內(nèi)部形成了發(fā)達(dá)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(yīng)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(diǎn)，誘導(dǎo)產(chǎn)生精細(xì)無(wú)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?jǐn)?shù))時(shí),，材料發(fā)生柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變且晶粒顯著細(xì)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(xué)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(jiàn)的高通量表征方法

圖4進(jìn)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(guò)增材制造可得到精細(xì)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(guò)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(shè)計(jì)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(jiàn)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(cè)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(shè)計(jì)”為題發(fā)表在金屬學(xué)報(bào)(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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