KIMS研究人員開發(fā)出超強(qiáng)金屬3D打印合金，為太空應(yīng)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(xué)研究所 (KIMS) 納米材料研究部的 Jeong Min Park 博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與慶尚國立大學(xué)的 Jung GiKim 教授和浦項(xiàng)科技大學(xué) (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(xiàn)出卓越的機(jī)械性能,，證明了在太空探索和極端環(huán)境應(yīng)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(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)進(jìn)一步研究,，以提高技術(shù)應(yīng)用的商業(yè)化潛力，并開展更多研究以驗(yàn)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(yù)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(xué)照片，以及 (b) 從矩形樣品中提取拉伸試樣的示意圖,。

研究團(tuán)隊(duì)在 CoCrFeMnNi 合金中添加了少量碳,，這種合金在低溫條件下表現(xiàn)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(shù)允許通過在納米級(jí)細(xì)胞結(jié)構(gòu)邊界處細(xì)分布的納米碳化物最大限度地發(fā)揮碳對(duì)合金的強(qiáng)化作用,。結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了抗拉強(qiáng)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(shí)的伸長(zhǎng)率達(dá)到了兩倍,。這項(xiàng)技術(shù)還為增材制造中的合金設(shè)計(jì)提供了潛在的指導(dǎo)方針，以生產(chǎn)用于低溫應(yīng)用的具有出色承載能力的高性能產(chǎn)品,。該技術(shù)的另一個(gè)主要特點(diǎn)是它能夠通過增材制造精細(xì)控制微觀結(jié)構(gòu),。

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(jié)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(jí)沉淀物的EELS 映射結(jié)果,。

圖 4.( a) 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(b) 加工硬化率,，以及 C-HEA 在 298 和 77 K 時(shí)真實(shí)應(yīng)力與真實(shí)塑性應(yīng)變的關(guān)系,。

圖 5.在(a, b) 298 K 和 (cf) 77 K 下預(yù)應(yīng)變的拉伸樣品中獲得的整體應(yīng)變?yōu)?(a, c) 6.3%、(b, d) 12.5%,、(e) 18.7% 和 (f) 24.4% 的 EBSD IQ 圖,。請(qǐng)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(biāo)記,。EBSD 圖中雙頭藍(lán)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(yù)應(yīng)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(yīng)變的 EBSD KAM 圖,。請(qǐng)注意， EBSD 圖中分別用黑線和紅線標(biāo)記HAGB和 TB,。EBSD 圖中雙頭藍(lán)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?jǐn)?shù)（a）和KAM （b）的平均值與整體應(yīng)變的關(guān)系。

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

圖 9.經(jīng) (a, b) 298 K 和 (c, d) 77 K 拉伸變形后,，預(yù)應(yīng)變 (a, c) 6.3% 和 (b, d) 12.5% 的樣品的變形微觀結(jié)構(gòu)的 ECCI 顯微照片。在 ECCI 圖像中,，納米級(jí)沉淀物用綠色箭頭表示,，變形孿生用黃色箭頭標(biāo)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(cè)量示意圖,，其中 i max表示XRD峰的最大強(qiáng)度。

圖 11. LPBFed C-HEA 在 298 和 77 K 下的 UTS 與 T. El 的關(guān)系,，與之前報(bào)道的 LPBFed CoCrFeMnNi HEA 的關(guān)系比較,。請(qǐng)注意，實(shí)心符號(hào)和空心符號(hào)分別代表 298 K 和 77 K 下的特性,。

這種金屬3D打印合金可應(yīng)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(fù)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(zhǎng)了使用壽命,。此外,，它還克服了現(xiàn)有3D打印合金在低溫韌性方面的限制。

高級(jí)研究員兼項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 Jeong Min Park 博士說：“這項(xiàng)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(shù)，我們可以顯著提高航天運(yùn)載火箭所用部件的性能,�,！�

這項(xiàng)研究由KIMS基礎(chǔ)項(xiàng)目（“開發(fā)具有復(fù)雜設(shè)計(jì)的超硬異質(zhì)材料的增材制造設(shè)計(jì)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。