KIMS研究人員開發(fā)出超強金屬3D打印合金，為太空應用帶來新的可能性

2024年10月30日,，南極熊獲悉，韓國材料科學研究所 (KIMS) 納米材料研究部的 Jeong Min Park 博士領導的研究團隊與慶尚國立大學的 Jung GiKim 教授和浦項科技大學 (POSTECH)的 HyoungSeop Kim 教授合作,，成功開發(fā)出一種適用于太空環(huán)境的新型高性能金屬 3D 打印合金,。新開發(fā)的合金在低至 -196°C 的極低溫下表現出卓越的機械性能，證明了在太空探索和極端環(huán)境應用方面的潛力,。

研究成果以題為“Cryogenic tensile behavior ofcarbon-doped CoCrFeMnNi high-entropy alloys additively manufactured by laserpowder bed fusion”的論文發(fā)表在“增材制造（影響因子：11）”雜志上,。研究團隊計劃繼續(xù)進一步研究，以提高技術應用的商業(yè)化潛力,，并開展更多研究以驗證在極端環(huán)境中的性能,。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104223

(a) C-HEA 預合金粉末的 SEM 顯微照片和粒度分布直方圖。 (b) 本研究中 LPBF 工藝的激光掃描策略示意圖,。

(a) 基板上打印樣品的光學照片,，以及 (b) 從矩形樣品中提取拉伸試樣的示意圖。

研究團隊在 CoCrFeMnNi 合金中添加了少量碳,，這種合金在低溫條件下表現出優(yōu)異的性能,。然后使用激光粉末床熔合 (LPBF) 加工這種合金粉末,，LPBF技術允許通過在納米級細胞結構邊界處細分布的納米碳化物最大限度地發(fā)揮碳對合金的強化作用,。結果，研究團隊實現了抗拉強度（抵抗力的能力）和延展性（在失效前承受變形的能力）的組合,，在低溫環(huán)境下比無碳合金高出 140% 以上,。特別是，與 298 K 相比,，合金在 77 K 時的伸長率達到了兩倍,。這項技術還為增材制造中的合金設計提供了潛在的指導方針，以生產用于低溫應用的具有出色承載能力的高性能產品,。該技術的另一個主要特點是它能夠通過增材制造精細控制微觀結構,。

圖 1.( a) 偽三維 EBSD-IPF 圖、(b) ECCI 和 (c) 從打印樣品的 YZ 平面獲得的TEM-BF 顯微照片,。

圖 2.打印樣品的 STEM-BF 顯微照片和替代元素的 EELS 映射結果,。

圖3.（a）TEM-BF 和（b）樣品中凝固單元周圍的HAADF 顯微照片。（c）TEM-BF,、（d）SADP和（e）C-HEA 中納米級沉淀物的EELS 映射結果,。

圖 4.( a) 工程應力-應變曲線，(b) 加工硬化率,，以及 C-HEA 在 298 和 77 K 時真實應力與真實塑性應變的關系,。

圖 5.在(a, b) 298 K 和 (cf) 77 K 下預應變的拉伸樣品中獲得的整體應變?yōu)?(a, c) 6.3%、(b, d) 12.5%,、(e) 18.7% 和 (f) 24.4% 的 EBSD IQ 圖,。請注意,，EBSD圖中大角度晶界(HAGB) 和孿晶邊界 (TB) 分別用黑線和紅線標記。EBSD 圖中雙頭藍色箭頭表示樣品的拉伸方向,。

圖 6.在(a, b) 298 K 和 (cf) 77 K 下預應變的拉伸樣品中獲得的 (a, c) 6.3%,、(b, d) 12.5%、(e) 18.7% 和 (f) 24.4% 全局應變的 EBSD KAM 圖,。請注意,， EBSD 圖中分別用黑線和紅線標記HAGB和 TB。EBSD 圖中雙頭藍色箭頭表示樣品的拉伸方向,。

圖 7.從EBSD 圖中獲得的孿生面積分數（a）和KAM （b）的平均值與整體應變的關系,。

圖 8.( a) C-HEA 在 298 和 77 K 下的 LUR 應力-應變曲線。(b) 從(a) 中每個應變水平的 LUR 曲線的滯后回線獲得的有效應力和背應力隨真實塑性應變的變化,。

圖 9.經 (a, b) 298 K 和 (c, d) 77 K 拉伸變形后,，預應變 (a, c) 6.3% 和 (b, d) 12.5% 的樣品的變形微觀結構的 ECCI 顯微照片。在 ECCI 圖像中,，納米級沉淀物用綠色箭頭表示,，變形孿生用黃色箭頭標記。

圖10. ( a)從 XY 平面獲得的 C-HEA 樣品的XRD圖案,。(b) 衍射峰的 FWHM 測量示意圖,，其中 i max表示XRD峰的最大強度。

圖 11. LPBFed C-HEA 在 298 和 77 K 下的 UTS 與 T. El 的關系,，與之前報道的 LPBFed CoCrFeMnNi HEA 的關系比較,。請注意，實心符號和空心符號分別代表 298 K 和 77 K 下的特性,。

這種金屬3D打印合金可應用于太空探索火箭中噴射燃料的噴射器,、提取能量的渦輪噴嘴等復雜部件。它提高了在太空和其他極端環(huán)境中使用的部件的性能并延長了使用壽命,。此外,，它還克服了現有3D打印合金在低溫韌性方面的限制。

高級研究員兼項目負責人 Jeong Min Park 博士說：“這項研究為開發(fā)用于極端環(huán)境的新型合金帶來了重大突破,，提供了新的可能性,。通過超越傳統(tǒng)太空探索部件制造極限的 3D 打印技術，我們可以顯著提高航天運載火箭所用部件的性能,�,！�

這項研究由KIMS基礎項目（“開發(fā)具有復雜設計的超硬異質材料的增材制造設計開發(fā)”和“開發(fā)用于金屬3D打印的高性能材料和工藝”）資助。